Le système de collimation et de caractérisation du faisceau de rayons γ

2.2.5.1 Système de collimation

Une fois produit, le faisceau de rayons γ ne possède pas toutes les caractéristiques finales re-quises. Notamment, un faisceau de rayons γ « brut » a une très grande largeur spectrale [∆E_{f γ}/E_{f γ}] (cf. sect.1.1). Grâce à la relation entre l’angle d’émission des rayons γ et son énergie (cf. fig.1.3) il suffit de sélectionner le centre du faisceau pour réduire sa largeur spectrale intrin-sèque (cf. sect. 1.1.6). Cette sélection en angle se fait par l’intermédiaire d’un « collimateur » qui joue en réalité le rôle de diaphragme (cf. fig. 2.13). Ainsi en sortie de cet étage le faisceau de rayons γ a toujours la même divergence angulaire (pas de collimation du faisceau) mais une largeur spectrale fortement réduite (voir l’éq. (1.41)). Comme le montre l’éq. (1.41), cette largeur spectrale dépend de l’acceptance angulaire normalisée Ψ du collimateur.

faisceau de rayons γ

Figure 2.13 – Vue isométrique du « collimateur » qui sera utilisé pour ELI-NP-GBS (figure fournie par Mauro Gambaccini).

Pour le projet ELI-NP-GBS, le type de collimateur utilisé est celui de la ligne de rayons X de hautes énergies de l’INFN-Ferrara. Cela permet une fois de plus de réduire les risques liés au développement d’un nouveau type de collimateur et permet au consortium EuroGammaS de s’appuyer sur une expertise à sa disposition.

Ce type de collimateur consiste en un empilement de fentes de 20 mm de tungstène dans diffé-rentes orientations. Le « collimateur » ainsi obtenu est représenté sur la fig. 2.13. L’orientation différente de chacune des fentes permet de générer une ouverture quasiment circulaire. La largeur de ces fentes est ajustable et permet d’optimiser l’ouverture globale du collimateur à l’énergie des rayons γ pour maintenir une acceptance angulaire normalisée constante. Comme l’absorption des rayons γ dans le tungstène varie avec leur énergie, deux collimateurs différents sont prévus pour ELI-NP-GBS. Celui de l’IP de faibles énergies sera composé de 12 fentes alors que celui de l’IP

2.2. ELI-NP Gamma Beam Source (ELI-NP-GBS) 59

de hautes énergies sera composé de 14 fentes. Les deux collimateurs sont divisés en deux sous-ensembles d’un nombre de fentes équivalent. La distance entre ces deux sous-sous-ensembles peut ainsi être ajustée pour optimiser l’alignement du collimateur. Les paramètres des deux collimateurs sont résumés dans la tab.2.7.

Caractéristiques ^{Valeurs à l’IP Valeurs à l’IP} de basse énergie de haute énergie Énergie des rayons γ [MeV] [1 ; 5] [5 ; 20]

Nombre de fentes 12 14

Angle entre les fentes [^◦] 30 25.7

Table 2.7 – Tableau récapitulatif des paramètres des deux collimateurs d’ELI-NP-GBS.

2.2.5.2 Caractérisation du faisceau de rayons γ

Afin de calibrer les différentes parties de la machine et de s’assurer que le faisceau de rayons γ remplit bien toutes les spécificités requises pour ELI-NP-GBS, un module de caractérisation est positionné juste avant les expériences de physique. Ce module doit entre autres pouvoir mesurer la position du faisceau de rayons γ, son spectre en énergie et son intensité. La structure temporelle et le flux de rayons γ attendus ne permettent pas l’utilisation de techniques de spectroscopie traditionnelles à base de détecteurs composés de germanium de haute pureté ou de cristaux de LaBr, pour mesurer directement l’énergie des rayons γ de chaque passage indépendamment. Un module de détection identique pour les deux IP, avec une optimisation de la géométrie en fonction de l’énergie des rayons γ, a été conçu pour caractériser les propriétés du faisceau. Ce module est composé de quatre systèmes de détection :

— un système imageant la distribution spatiale et la position du faisceau, — un spectromètre Compton mesurant le spectre en énergie du faisceau,

— un calorimètre permettant de reconstruire le nombre de photons dans le faisceau et son énergie moyenne,

— un système de calibration d’énergie basé sur le principe de diffusion nucléaire résonante. L’ensemble de ce système de caractérisation est représenté sur la fig.2.14. Sur la fig.2.14(a) on peut voir l’implantation de ce système derrière le « collimateur » et le bloc de béton de protection, la position de chaque système de détection est quant à elle repérée sur la fig.2.14(b).

Système d’imagerie du faisceau de rayons γ Ce système de détection est le plus simple, dans son principe, des quatre systèmes composant le module de caractérisation du faisceau de rayons γ. Il consiste à imager un écran scintillant placé dans le faisceau avec une caméra. L’écran scintillant sert à convertir les rayons γ en lumière visible pour la caméra. La résolution recherchée est d’environ 50 µm, ce qui est atteignable avec l’utilisation d’un objectif ordinaire.

(a) Spectromètre Compton système d'imagerie Calorimètre système de diffusion nucléaire résonnante (b)

Figure 2.14 – Le système de caractérisation du faisceau de rayons γ d’ELI-NP-GBS :

(a) en vue isométrique et (b) en vue de profil avec la position de chaque sous-système de détection (figures fournies par Mauro Gambaccini).

Spectromètre Compton Le spectromètre Compton a pour objectif de mesurer le spectre en énergie du faisceau de rayons γ. De ce spectre il est alors possible d’en déduire la largeur spectrale et l’énergie moyenne du faisceau. Le spectromètre se base sur la diffusion Compton (voir la sect. 1.1) afin de mesurer l’énergie des rayons γ précisément. Le schéma de diffusion est exactement le même que celui de l’expérience historique de A. Compton. Une fine feuille de matériau de faible numéro atomique est placée dans le faisceau. Deux détecteurs mesurent l’énergie et l’angle de diffusion de l’électron ainsi que l’angle de diffusion du photon γ. On peut alors remonter à l’énergie du photon incident à partir de l’angle et de l’énergie de l’électron. La mesure de l’angle de diffusion du rayon γ permet de faire une mesure en coïncidence et donc de réduire le bruit de fond.

2.2. ELI-NP Gamma Beam Source (ELI-NP-GBS) 61

Le détecteur d’électrons est composé d’un détecteur en silicium à micro-bandes (micro-strips) pour mesurer la position et d’un détecteur en germanium haute pureté (HPGe : High-purity Germanium) pour la mesure en énergie. Ces deux détecteurs ont déjà été éprouvés dans différentes expériences [79,80]. Leur temps de réponse est d’environ 600 ns.

Par conséquent, si l’on veut éviter un effet d’empilement, on ne peut détecter qu’une interaction par train de rayons γ (train à 100 Hz). La feuille de diffusion est une cible en carbone de 1 µm à 2 µm. Cette épaisseur est choisie pour éviter les diffusions multiples des rayons γ incidents ainsi qu’un effet d’empilement dans le détecteur d’électrons dû à un trop grand nombre d’interactions.

Les performances attendues pour le spectromètre Compton sont encore en cours d’analyse, mais l’on prévoit une résolution relative en énergie < 0.1 % (en écart-type) sur une durée d’intégration d’au moins 100 s avec une résolution relative intrinsèque du détecteur < 0.5 % (en écart-type).

Calorimètre Afin de calculer la TASD il est aussi nécessaire de connaître le nombre de photons γ (en plus du spectre du faisceau). La mesure du nombre de photons se fait par l’intermédiaire de l’énergie qu’ils déposent dans le calorimètre. De plus, le calorimètre est segmenté longitudinale-ment ce qui permet une estimation de l’énergie moyenne des photons incidents via un ajustelongitudinale-ment du profil longitudinal de l’énergie déposée.

Chaque segment est composé d’un détecteur en silicium et d’un convertisseur en plastique, assez rapide pour pouvoir discriminer chaque impulsion au sein du train. Le choix du plastique pour le matériau du convertisseur provient du fait que la section efficace totale varie plus rapidement avec l’énergie des rayons γ pour un matériau léger (faible numéro atomique). Le plastique est composé en majeure partie d’hydrogène, ce qui en fait un très bon candidat pour le matériau du calorimètre.

La résolution relative en énergie du calorimètre sur une impulsion se situe entre 1 % et 3 % (en type) et sa résolution relative sur le nombre de photons est entre 1.6 % et 2.8 % (en écart-type). Il faut noter que la résolution sur le nombre de rayons γ détectés dépend directement de la résolution sur l’énergie globale de l’impulsion.

Système de calibration La mesure de l’énergie par le calorimètre ou le spectromètre Compton nécessite une fine calibration de ces détecteurs. La technique de fluorescence nucléaire résonante (cf. sect.1.2.2) présente toutes les caractéristiques requises pour obtenir une mesure précise de l’énergie des photons γ. Pour rappel, cette technique se base sur l’absorption d’un pho-ton par un noyau puis de la détection de sa décroissance radioactive. Les énergies d’absorption sont centrées sur les niveaux d’énergie du noyau et de largeurs directement dépendantes de leur temps de relaxation. Donc en choisissant un noyau avec un temps de relaxation très faible nous obtenons une très bonne sensibilité à l’énergie des rayons γ venant l’exciter.

Le système de calibration est alors constitué d’une cible composée d’un ou plusieurs éléments dont les niveaux d’énergie sont parfaitement connus et suffisamment espacés pour une bonne discrimination. Les meilleurs candidats sont les éléments légers (faible numéro atomique) tels que le lithium (⁶Li ou7Li), le béryllium (9Be), le bore (10B ou 11B) ou le carbone (12C ou13C). La seconde partie du système de calibration est un module de deux détecteurs. Le premier détecteur est un compteur de γ rapide permettant de faire un balayage rapide des résonances. Lorsqu’une résonance est trouvée, le second détecteur, un spectromètre, vient précisément identifier le niveau d’énergie excité. Le second détecteur doit avoir une résolution assez grande pour discriminer les différents niveaux d’énergie accessibles de la cible (notamment lors de schémas de décroissance radioactive complexes).

La calibration du calorimètre et du spectromètre Compton se déroule de la manière suivante : on effectue un balayage en énergie du faisceau de rayons γ, obtenu en faisant varier l’énergie des électrons. À chaque niveau d’énergie rencontré, une calibration fine est effectuée sur le calorimètre et le spectromètre Compton avec les données du spectromètre du système de calibration.