Le signal induit sur les électrodes de mesure doit être acheminé et subir des transformations pour qu’il puisse être analysé. La mise en place d’une chaîne électronique est nécessaire. Le premier étage de cette chaîne est constitué d’un préamplificateur placé au plus près de l’anode pour ne pas détériorer le signal de l’anode. La détermination de l’énergie déposée (∆E) dans le détecteur passe d’abord par l’intégration du signal induit sur l’électrode de mesure, idet, afin
d’obtenir une tension (U) proportionnelle à la charge déposée Q selon : ∆E ∝ Qtot =
ˆ
idet(t)dt (C.8.9)
Pour cela, le signal induit est modifié dans un préamplificateur de charge composé principalement d’un amplificateur opérationnel (AO) avec une boucle de rétroaction constituée d’un condensa- teur Cf. La valeur de Cf définit la valeur du gain du préamplificateur tel que U = Qtot/Cf. Une
8.5. TRAITEMENT DU SIGNAL
Rf placée en parallèle. Cette résistance doit avoir une grande impédance de sorte qu’aucun cou-
rant ne la traverse lors de la charge de Cf. Les valeurs typiques de ces composants sont Cf=2 pF
et Rf=300-500 MΩ.
Le signal en sortie du préamplificateur est alors généralement envoyé dans un amplificateur. Cet étage électronique permet, par une succession de circuit CR et RC, de réduire la bande passante du signal, donc de réduire le bruit électronique, de mettre en forme et d’amplifier le signal. Le circuit CR différencie le signal et filtre les signaux basses fréquences, tandis que le circuit RC intègre le signal et filtre les signaux hautes fréquences. Les temps de mise en forme (Shaping time) des circuits CR et RC doivent être égaux pour que leur utilisation couplée ne modifie pas la forme du signal. Ce temps doit être choisi de façon à collecter toutes les charges et à limiter le phénomène de pile-up, i.e. un recouvrement de deux signaux successifs. Si le temps caractéristique de mise en forme du signal de l’amplificateur est plus court que le temps de montée du signal en entrée, alors le signal en sortie va commencer à décroître avant que le signal en entrée ait atteint son maximum. Le signal de sortie aura donc une amplitude plus faible, conduisant à un déficit de la quantité définie par l’amplitude du signal de sortie : c’est le déficit balistique.
Conclusion
Ce chapitre a exposé les raisons qui ont mené au choix de l’isobutane comme gaz de détection dans les détecteurs du dispositif FALSTAFF. Il a permis de montrer que le détecteur d’énergie de FALSTAFF peut fonctionner en régime de chambre à ionisation compte tenu de la valeur de l’énergie déposée par les fragments dans le gaz. Ce régime a l’avantage de déterminer l’énergie des particules avec une très bonne résolution.
Le régime proportionnel est utilisé lorsque l’énergie déposée par la particule incidente est trop faible pour générer un signal électrique et/ou pour réaliser des mesures de temps et de position précises. C’est donc ce régime qui est utilisé dans les détecteurs MWPC-SeD.
Nous avons aussi vu qu’il existe un plateau de vitesse de dérive des électrons sur une plage de champ réduit donnée. Il est important, dans le cas de la chambre à ionisation axiale, de se placer dans les conditions expérimentales pour être sur ce plateau afin que la détermination du profil de perte d’énergie soit indépendante des fluctuations de conditions expérimentales.
CHAPITRE 9. DÉTECTEURS MWPC-SED : VITESSE DES FRAGMENTS
Chapitre 9
Détecteurs MWPC-SeD : vitesse des
fragments
Le vecteur vitesse des fragments est déterminé à partir des informations fournies par les deux détecteurs de temps de vol MWPC-SeD (Multi Wire Proportional Counter - Secondary Electron Detector) du dispositif FALSTAFF. Le principe de fonctionnement et les caractéristiques de ces détecteurs sont d’abord décrits. Les méthodes de détermination de la position et du temps d’arrivée des fragments sur ces détecteurs seront alors présentées. Le vecteur vitesse sera ensuite déterminé.
9.1
Description des détecteurs
Un détecteur MWPC-SeD, représenté sur la FigureC.9.1, est constitué d’une feuille émissive d’électrons secondaires et d’un détecteur d’électrons. Lorsqu’un fragment traverse la feuille émis- sive, il perd une certaine quantité d’énergie qui conduit à la génération d’environ 150 électrons secondaires [174]. Ces électrons sont accélérés à l’aide d’une grille accélératrice puis détectés par un MWPC. Les électrons secondaires génèrent alors les signaux temps et positions. Le signal temporel est donné par l’anode et les signaux positions par les cathodes des détecteurs. L’agen- cement de la feuille émissive, de la grille accélératrice et du MWPC est visible sur la Figure C.9.1.
Les caractéristiques des différents éléments constitutifs des MWPC-SeD : feuille émissive, grille accélératrice et détecteur MWPC sont maintenant décrits.
Les feuilles émissives sont typiquement constituées d’une feuille de mylar d’une épaisseur de 0.5 µm qui est recouverte d’un dépôt de 30 nm d’aluminium nécessaire à la polarisation de la feuille à une tension de -10 kV. Une grille accélératrice, constituée de fils en tungstène recouverts d’or de 10 µm de diamètre et espacés de 1 mm, est placée à 1 cm de la feuille et polarisée à une tension de 0 V. Le champ électrique créé entre la feuille et la grille permet d’extraire, d’accélérer et de guider les électrons secondaires vers une MWPC. Le champ électrique de 10 kV/cm accé- lère les électrons de façon à ce qu’ils traversent la fenêtre d’entrée de 0.9 µm de mylar aluminisé du MWPC, dans laquelle ils perdent une énergie d’environ 3 keV [149]. La valeur de ce champ limite l’élargissement de la distribution angulaire des électrons lorsqu’ils traversent la fenêtre d’entrée de la MWPC [120].
Un détecteur MWPC est un détecteur gazeux qui sert à déterminer le temps et la position d’arrivée d’une particule sur le détecteur. Il est constitué de deux plans cathodiques au milieu desquels est placé un plan de fils anodiques (Figure C.9.2). Les cathodes sont mises à un po- tentiel de 0 V et les fils anodiques à un potentiel positif V0. Le champ électrique généré entre l’anode et la cathode est alors E(r) ∼ V0
rln(b/a), avec a le rayon du fil anodique et b la distance
entre le centre du fil et la cathode. Ce champ permet d’amplifier le nombre d’électrons primaires majoritairement proches de l’anode.
9.1. DESCRIPTION DES DÉTECTEURS
de 1.6 mm. L’anode est polarisée à 540 V. Le gaz utilisé est de l’isobutane à une pression de 5.5 Torr. Chaque électron secondaire génère environ 6 électrons primaires dans le volume de gaz du détecteur. La faible pression du gaz et le fort champ électrique assurent alors l’amplification de ces électrons primaires loin de l’anode [147]. Le déplacement des électrons vers l’anode induit un signal sur l’anode et les cathodes du MWPC.
Les détecteurs de temps de vol Start et Stop sont constitués de MWPC différentes. La surface active de la MWPC du détecteur Start est de 70 × 70 mm2 alors que celle du détecteur Stop est de 200 × 140 mm2. Les dimensions du détecteur Start sont plus petites que celles du détecteur Stopcar l’efficacité géométrique du dispositif est surtout contrainte pas les surfaces du détecteur Stopet de la chambre à ionisation. Pour cette raison le détecteur Start est appelé MiniSed et le Stop, Sed. Les dimensions du Sed étant plus grandes que celles du MiniSed, une grille de main- tien est placée au niveau de sa fenêtre d’entrée pour assurer l’homogénéité du champ électrique entre la cathode et l’anode. Le coefficient de transmission de cette grille est de 83 %. Le Sed possède aussi un plus grand nombre de pistes cathodiques et de fils anodiques. Le plan de fils anodiques du Sed est divisé en deux pour réduire la capacité du détecteur et donc réduire le bruit. L’autre grande différence entre le MiniSed et le Sed est la géométrie des cathodes. Le signal position Y du MiniSed est obtenu par un plan de 28 fils de 100 µm de diamètre et espacés de 2.54 mm tandis que le signal position X est obtenu par un plan constitué de 24 pistes. Les signaux positions X et Y du Sed sont eux obtenus par un plan de pistes 2D dont une représentation est visible sur la FigureC.9.2. Ce plan est composé de 67 pistes en X et 47 pistes en Y avec un pas de 3 mm. Le Tableau C.9.1récapitule ces principales différences.
L’autre différence notable entre les deux détecteurs de temps de vol est la distance grille accélératrice/MWPC qui est de 100 mm pour le MiniSed et de 190 mm pour le Sed. Cette différence induit une différence de temps de vol des électrons secondaires dont la valeur doit être prise en compte lors de la détermination du temps de vol des fragments.
Maintenant que les processus physiques à l’origine des signaux positions et temporels ont été décrits, les chaînes électroniques d’acquisition associées et les méthodes de détermination de la position et du temps d’arrivée des fragments sur les détecteurs font respectivement l’objet des sections9.2 et9.3.
Figure C.9.1 – Photographies des détecteurs MiniSed vue de profil (gauche) et Sed vue de face (droite) du dispositif FALSTAFF.
CHAPITRE 9. DÉTECTEURS MWPC-SED : VITESSE DES FRAGMENTS
Figure C.9.2 – Schémas des MWPC du MiniSed (gauche) et du Sed (droite) [148].
Caractéristiques générales Pistes
Détecteurs Surface [mm2] Distance
G.A./MWPC [mm] en X en Y Pas [mm]
Start (MiniSed) 70×70 100 24 pistes 28 fils 2.54
Stop (Sed) 200×140 190 67 pistes 47 pistes 3.00
Tableau C.9.1 – Caractéristiques des MWPC-SeD Start (MiniSed) et Stop (Sed). L’abréviation G.A. signifie grille accélératrice.