Etude de la decroissance beta+ des noyaux 185,187 Au

(1)

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. ETUDE DE LA DECROrSSABCÉ BETA + DES BOYAUX 1.85., 18~Au

-,

par 'a

. Gaston Pepin B.Be •

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Th~se

présentée à

l~ F~eulté

des ,Etudes

S~ér~eures

et de Reche~che, en ,vue de l' ob~DtloD,j1i grade ~e

M~e ès Scienees~.)

--.

Départe.en~ de Physique Un~ver8ité MeGill Montréal, Québec _,eau _

'22i

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'Un télescope b3twco.posé dfun détecteur E en germaniu. de Àrande pureté (dimensions: 500 •• 2X15 •• ) et d'ùn détecteur

)

delta-E en silicium du type barrière de surface (dimensions: 200 •• 2X300aicrons) a été construit et éprouvé pour la

+

spectroscopie b&ta de haute résolution.

A

l'aIde du spectromètre de l'Univérsité de Montréal,' la

1

fonction de réponse

a

été mesurée pour" des positrons '.onocinétiques de moins de cinq

Hév.

L'ébe~gie aaximale des positrons de la décroissance des

noyaux 185-187Au a été mesurée. Ces noyaux ont été ~ro~ui~s

par le séparateur isotopique en ligne' ISOCELE II, l'Institut de Phys~que Nucléaire. d'Orsay.

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A a8.iconduct,or telescope detector slst.em cons1sÙng of a

500 •• 2115 •• thick hlperpure germaniu. E-detector and a

..

20~ •• 2IJOO.icrons thick silicon surface barrier del ta-E

detector va8 built and tested for high resolution beta +

ap'8ctr08CoPY. Its respon8e to monoenergetic positrons of

lea8 tban 5 MeV vas measured at the on-1ine .agnetie

beta-spectro.eter facility st the University of Montreal.

The beta + end₇P01nt energy of the" aass separated isotopes

185-18? Au _{vere .eseured at the} _ISOCELE~II_{on-11ne isotope}

separator at

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Insti 'but - de Physique Nucléaire ft ln Orsal,

France. 1 ..

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~ JeutieDs 1 re.ercier tout spéciale.ent .on,directeur de

• recherche et directeur du laboratoire, le Dr J.K.P Le4, pour

.~ 1

.\

~

,

avoIr suggéré et dir!gé ce travail, ainsi que le Dr Henri Dautet pour 1·' aide précieusè apportée durant les expériences et tou~ au lOl')g de 1'analyse. Je remercie aussi le Dr John

Crawford pour les conseils qu'il m'a donnés dans la

prépa âtlon~cette th,lse. ~_ II<

Je désir 'exprimer aa gratitude ,à _{_,f}tous les membres du

àboratoire p"ur leur assistance durant le déroulement des

xpérie~tout particulière~ent

M.

Richard Turcotte.

J~ V$UX remercier le Laboratoire de,Physique Nucléaire

l'Université de Montréal et le groupe d'ISOCELE de

de Physique Nucléaire d'Orsay pour leur

et 1~te.P8 de faisceau qu'ils ont mis à notre

J

Enfin, je remercie le laboratoire Foster et son

directeur pour le support financier àccordé durant~mes

études de .a!trlse. i

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(5)

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-iv-•

·TABLE DES MATIERES

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R6su.': •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••

Abatract ... ., .•.

R •• ereieaents •... ...

Liate des figures •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••

Liate des tableaux •••••.••••••• ] •••.••••••••••••.•••••••

i I l ili vi vii IIfTRODUCTIOH •• .,., •• ••••••••••••• : ••••••••••••••••••• ~. • •• 1 1 .1

1.2

Descrjption du projet de recherche: ••••••••••••••••

détection . . . • . . . • . . .

1

Description du s1stè.e de télesoope ••••••••••••••••

1.1.1 Mla8 en route ••••••••••• , •••••••••••••••••••

Opération du télescope •••••••••••••••••••••••••••••

1.2.1 Electroni~ue •••••••••••• I •• ~ •••••••••••••••••

1.2.2

Etalonnage et ajuste.ent des gains ••••••••••

1.2.) Résolution •••••••...•••••.••••.••.••••••••..

Pertes dans le télescope •••••••••••••••••••••••••••

, t ' Datee eur ga •• a ••••••••••••••••••••••••••••••••••••

1

5 7 7 8 10

12

12 17 17 18

CBAP'!TRE 2:

Fonction de réponse .-.- ••• -••• : ••••••••• , • • • • • •

22

2.1

2.2

2.3

Principe de détection dEun détecteur

jà 8e.i-conducteùrs ••••• ~ •••••••••••••••••••••••••••

péfinition de la fonction de réponse •••••••••••••••

Intéractions A l'int~rieur du t'lescope ••• ; ••••••••

2.3.1 Intéraction Coulo.bienne ••••••••••••••••••••

2.3.2 Radiation de freinage (nbre.8strahlung n) ••••

2.3.3 Annihilati~n: ... .

2.3.4 Diffusion ,Comp·ton •••••••••••••••••••••••.•••• 2.3.5 Effet photdélectrique ••••••••••••••••••••••• Mesure de la fonction de réponse •••••••••••••••••••

2.4.1 Spectromètre ••••••••••••••••••••••••••••••••

2.4.2

Ajustement du spectro.ètre ••••••••••••••••••

2.4.3

Montage expérimental ••••••••••••••••••••••••

Ré sul ta ta ••.•.••••• 8 . . . : • • • • • ' • • ,

2.5.1 Paramétrisation de la fonction de reponse •••

,

22 :25 26 26' 27 27 28 29 29 30

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CHAPITRE 3: Mé thode d 1 analyse •••••• ',' ••••••••••• ~ • • • • • • • 52

3.1

3.2

e

3.3

3.4

Construction du spectre théorique ••••••••••••••••••

3.1 .1 Facteur de tor-tle •••••••••••••••••••• ~ ••••••

3.1.~ Fonction de rer.i ••••••••••• , •• ~ ~ ••••••••••

3.1 .3 Ellet d'écran ... _ •••••••••••

, J.1.4 Correcti6n r'diative ••••••••••••••••••••••••

3.1,.5 Rapport bAta

leE •••••• •••••••••••••••••••• :.

3.1.6 Fonction de réponse ••••••••••••••••••••••••••

Progra •• e d' analy se •••••••••••••••••••••••••• '0 • • • • •

3.2.1 Graphe du spectre théorique et expérimental.

3.2.2 Graphe du spectre des résidus •••••••••••••••

3.2.3 Calcul du khi-deux •••••••••••••••••••••••••• , Calcul des ali.entations ••••••••••••••••••••••••••• &tudes de co!ncldences bAta.ga •• a ••••••••••••••••••

52 54 55 56 56 57 57 59 61 62 62 65 65

CHAPITRE 4: Q-b8ta des isotopes A=185 et A=187 de 14_or.. ₆₈

4,.1

4.2

Montage expérl.ental ••••••••••••••••••••••••••••••• Séparateur isotopique ISOCELE II •••••••••••••• ~.~ ••

4.2.1 Système de transport ••••• ' •••••••••.•••••••••• Production des isotopes radioactifs ••••••••••••••••

" "

Procedure experi.entale ••••••••••••••••••••••••••••

4.4.1 'Détermination du Q.blta de l'isotope 185Au ••

4.4.2 Détermination du Q-bAt~ de l'isotope 187Au ••

68 69 69 71 73 74 81 COIfCLÛSION ••••••••••••••••••••••• ., •••••••••••••••••••••• t 87 r'l Références ... ~ ...••.•..•..• ~~ ••.•.••••• Appendice A ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• , ' ,

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Figure 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 2.1 ~

2.3'

2.4

2.5 '2.6 2.7 -2.8 2.9

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3.2

3.3

3.4 4.1

4.2

4.3

4.4

4.5 4.6 4.7 4.8 Al A2

.

'

.

• -vi-LISTI DES FIgURES

...

Description 1 •

Vue en coupe du télescope bAtJ Montage é1,ctronique du té1es90pe

Perror.anc.s du télescope 1

Absorptionl dans la renAtre d'Uavar

Montage él\8ctronique du détec,teur ga •• a

1 ~

..

_" Page 9 1) 16 19 21

Fonction ~e réponse typiq~e pour les positrons 2)

Spectroaètre de l'UniversitQ 4e Montréal 31

Fonction de réponse de poslt~ons de 0.5 MeV 35

Fonction ,de réponse de p081ttons de 1.0 MèV 37

,Fonction de réponse ~ positrons de 1.2 MeV 39

Fonction de réponse de positrons de 1.7 MeV 41

Fonction de réponse de positrons de 2.2 MeV 43

Fonction de réppnse de positrons de 3.0 MeV 45

Fonction de réponse de positrons de~3.8 MeV 47

Paraaétrisation de la fonction de réponse 50

..

.

Brancbe bAta avant et après sa

convolution par la fonction de réponse 58

Organigramme du programme BETAPOS 60

Exemple de résultats du programme BETAPOS 63

Scbéaa de désintégration pour une

étude de co!ncidenoe.B 67

Système de transport

Cycle d'acquisition pour l'or A=185, A=187

Gammas observés en co!ncid~nce av~c

la décroissance de l'185Au et du 185Pt Scbéma de déSintégration bAta Simplifié de l' 185Au

Ajustement théorique du spectre bAt. de l' 185Au

Ga.mas observés én è'o!ncidence avec la décroissance de l'187Au et du 187Pt

~bé.a de désintégration bAta si.plifié de l' 187Au

Ajustement théorique du spectre bAt. de 1'187Au

Shém. de désintégration complet de l'185Au

Shé.a de dé8intégr.t~on co.piet d& l'187Au

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70 72 75 79 80 82 .85

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-Tableau. 1.1 2.1 C.l " , .

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\LIS'f1 DIS TABLEAUX

De.crlptj:oD

Caractéristiques de la source 2078i

Accu.u1ation de. spectres de fonction de'

répon ••

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Ré.ultata

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-1-IIUODUCTIOI

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,

L'étude de la"décroissance bita \ a joué un r8le

particulier dans l'histoire de la ph)"sique nucléaire.

Pendant de's années elle rut lCl seule aanlfestatlon connue de

~ ~

--l'lntéraction faible.

Dè~e

début, &lle donna

be~ucoup

de

dlrficul tés l'énergie de

, ,

aux physiciens. Là dist\ibu~n continue de

·l'électron (posi trQn) é W se.blai t- -aller à'

l'encontre du principe de conservation de l'énergie ~t du

.o.eut angulaire. _, Dans un erro\t' d~ préservation de.ces

en 1933 [Pau-30, Pau-33]

principes,

--

Pauli proposa

l'existence d'une particule sans charge et sans _asse, le

neutrino

q~i

était é.is

e~ ~a.e

temps que le bAta •

.-.

Le développement de la théorie des champs et les études

'de Fer.i en 1934 [Fer-34J menèrent à la formulation d!une

'"

théorie de la décroissance bAta basée sur le partage

_,

,

aléatoire de l'énergie erftre la particule bita et le

,

assocU.

Cëtt~

s'avèra

neutrino qui lui est théorie

•

d'all1eu~s très précise. ~ •

Plus~ard

(1957)

cle~

l'étude de la décroissance bAta •

des noyaux polarisés de

6O

Co qui confirma la violation de'la

. parité pour l'intéraction f,.ible [Wu-57] • Encôre

aujourd'hui, la spectroscopie bAta Qde 1,3He conatltue un

\ cha.p de recherche exploré pour solut~er le problème de

la masse du neutrino.

Depuis quelques années l'étude de la décr.oi*sanoe bata

...

..

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(10)

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-2-des noyaux loin de la région de stabilité est devenue d'un intér3t particulier [AMC-79, AMC-84]. La mesure de l'énergie de désintégration de ces noyaux s'avèrant une des méthodes

. ~es plus précises de déterminer leur masse.

,

La mesure directe de masse par spectrométrie est

~.

habituellement réservée à l'étude des noyaux près de la

région de stabilité. Ces techniques ont d'ailleurs permis la

"

.

détermination préc,ree de leur masse. Cependant elles

.... demeurent difriciles à appliquer aux isotopes de courte

•

demi-vie.

En effet, ces noyaux doivent l, ~tre produits dans des

installations expérimentales constitué~ d'un accélérateur

et requièrent l'utilisation 'd'un séparateur isotopique en

ligne avec l'appareil de mesure de masse. Cet environnement

1

n'est pa's propice à la mesure di,recte. De plus, les noyaux

produits peuvent 8tre dans des états grandement exci~és qui

-ajo~te aux difficultés dJune mesure directe. On peut donc

----

•

'

recourir à la déterminatibn du Q-b3ta afin d'en déduire leur

masse.

Si de plus le noyau étudié fait partie d'une chaIne

~lpha, cette technique perm~t de la relier à une autre.

menant à la détermination de masses sur une grande région.

Cependant, toute méthode a ses difficultés. Celle qui

constitue la plus sérieuss pour la spectroscopie b3ta

demeure la nature continue de la distribution en énergie ges

électrons ou des posi t.rons émiS. ,'--

.

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-Le spectromètre ,màgnétique, sous ses différente;- ,

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..

-3-tormes, s'est avéré l'instrument de choix pour l'étude de la

'.

spectroscopie bêta [Alo-8k]. Il offre une bonne précision,

1

mais a l'inconvénient de n'être capable de mesurer qu'un

/

intervalle d'énergie r6dult a • la fois. Un spectre bêt.a

complet doit donc &tre accumulé région après région. Ceci

~end le processus d'acquisition leht, et dans le cas \

.' d'isotopes de courte demi-vie, un"e < procédure de

nor~al1sa tion complexe et souvent imprécise doit être utilisée afin de tenir compte des fluctuations de l'activit.é

.

, ~

de la source durant le balayage de toute la re~ion du,

spectre.

.

,

La solution de rechange fut l'u1'-llisation de

scintillateurs plastiques qui permettent l'enregistrement de

tout le 'spectre bAta simultanément.

Cependa~,

ce genre de

détecteur a une mauvaise résolution et a certains probèmes de linéari té. .

L'av~nement de détecteurs au germanium de grande pureté

(noté HPGelide grand voiume [Moo-761 a permis de solutionner _,

plusieurs de ces problèmes. Leur utilisation est d'ailleurs

devenue de plus en pl~ répendue. Ce type de détecteur a les

principaux avantages ,suivants: -excellente résolution

-bon pouvoir d'arrêt \

-étalonnage facile à l'aide de gammas

-accumulation du spectre bAta sur tout son

domaine simultanément;

o 1

Cependant deux problèmes majeurs persistent: f -, _.... _~

•

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...

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.

' , -.

•

-4--leur senslQillté au ray-onnemen t gamma qui

contamine le sp~b3ta, .

-leur fonction de réponse complexe.

Là première difficulté peut 3tre solutionnée de deux

façons~

•

a)l'utilisatio-n d'un méoanisme de sélection

magnétique pour éliminer les gammas de la région de détection [Het-84, Alo-84)

b)l'utilisation d'un systè~ de télescope

E-DE •

Le principe d'un sy-stème de télescope repose sur lladd~tion

i un germanium

(E)

de grand volume, d'un détecteur très

mince du type de transmission

.

(DE)

qui est insensible au

'

rayonnement gamma mais qui détecte le passage d'une

•

particule chargée. Un circuit de co!ncidence E-DÈ permet de &électionner uniquement les b3tas. C'est c,ette dernière alternative que nous avons choisie.

Cependant, le problème de la complexité de la fonction

d e r ponse demeure é (specialement pour les positrons • On ' ~ )

doit donc ~ déterminer ~e plus précisément possible. Deux~

son 1nvesti~ation '

,*

.

approches peuvent 3tre retenues:

expérimentale et 80n étude théoriq~e à l'aide de ca1culsl

Monte-Carlo [Var-81, Avi-83~ Bom-84J.

/ ,

l;.es calculs

Monte-Carlo, quoique très utiles,~ ont le désavantage de

reproduire difficilement la géométrie du 8y-stème de

détection. L'approche expérimentale nous semble la plus

! • r ..

propice, pour cette raison, c'est 1~ voie que nous avons

empruntée. •

•

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(13)

(---~---~---~---~.

-5-1

" Description du projet de recherche

• ,

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• l

, ,

Le projet de recherche de cette thèse est axé

.

principalement sur l'étude spectroscopique de précision, de

la désintégra ~ion bets + des isotopes A=185 ,et ~A=1 e7 de ~r.

Les noyaux_de 'cette région sont susceptibles aux transitions de formes et ont donc un intér8t théorique particulier.

~

Leur product~on requiert cependant des installations

, .

----,-expérimentales spéciales, e~ en nombre réduit. Cela

explique en partie l'absence de recher~he systématique. En

_.

'

ce qui nous concerne, c'est l'Institut de Physique Nu~léaire

d'Orsay en France qui fut l'endroit ~hoisi, principalement

pour sa capacité de' produire \ nOB

.,

isotopes en quantité..,

suffisante .avec une .. ran'd~ pureté.

Un s~stème de télescope a été utilisé pour

l'enregistrement des spectres b3ta. Pour procéd~ à leur

a~alyse, il faut avoir une bonne conn«1ssance de la fonction

de réponse pour les positrons. Afin d'améliorer cette

,

connaissance, une expérience ayant pour but de la mesurer a été réalisée. Pour ce faire, on a utilisé le spectrometre

magnétique de l'Université de Montréal. L'énergie des

positrons utilisés variait entre ~.5 ~t 5.0 MeV~

Enfin la méthode d'analyse empruntée à la spectroscopie

l"'

b3ta-

à

été appliquée à nos émetteurs bAta+. Cette' méthode

d'analyse consiste prin~lpslement a générer un spectre

théoriqu,e, incluant la distorsion par la fonction de

r~ponse, pui,s de le cQmparer directement ave'c le spectre

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(14)

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-6-.

expériaental. Le Q-b'ta de nos' deux i_topes a pu ainai 'tre déduit. ) / I, t

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-7-•

OHiPITRE 1: Sysièa,

de

détection'

• ...

,

_•

La spectroscopie bAta, a pour tAche de déteflliner le

plus précisément possible la distribution en énergie des,

électrons ou!~pc8itrons émis lors d'une :décroissance bAta.

Pour ce faire, on a recours à un détecteur qui lui est

prop~e. Dans oe chapitre, nous allons faire une description

physique et opérationnelle du système de détection' utilisé. Il a été réalrsé spécialement pour l'étude d'émetteurs bAta

de courte vie, émettant des particules de moins de 10 MeV •

1.1 Description du système de téleQcope _»

Le système de détection que nous utilisons fut

constx4lli t originalement pour l' étud'e de la. spectroscopie

bAta-

_,

[Iaf-831,

_.

mais

+

spectroscopi~ bêta •

Il

se

.

sert aussi aujourd'hu! à la

compose de deux détecteurs. Le

premier. est un détecteur de transmission de type barriè~e de

•

~ surface. Il a pour fonction d'identifier le passage des

• - particules chargées ,en absorbant qu'une fraction de leur

_.

énergie. On l'appelle don'c le deI ta-E.' Tout aj;. long de cet

.

:

ouvrage on

.

utili~era la notation DE. Le second détecteur est

'

'"

un germanium de gran'de pureté (HPGe) de grand volume. Il est

•

monté à l~arrière du DE et sert a absorber l'énergie

résiduelle. On l'identifie comme étant le détecteur E. Leurs

. 2

dimensions respectives sont de 200mm XJOOmicrons pour le DE

..

,

1 l ~

.

J

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" 1

1

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,

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... .

•

,-8-et d, 500 •• 2

X15_.

~ur le E. L'ensemble forme ce qu'on

•

appelle le télescope et peut arr3ter des b3tas atteignant "12

MeV. La figure 1.1 montre une vue en coupe du système.

Le détecteur DE est construit" de telle sorte qu'il n'y

a que sa partie centrale qui soit active. On évite ainsi

l'utilisation de collimateurs qui entraInent la formation

d'électrons secondaires à leurs bords. ! .

"

• L'ensemble E-DE est fixé sur un tige d'aluminiu., qui

assure un contact thermique avec un réservoir d'azote

1

liquide. Le couvercle est en aluminium anodisé, isolant

•

,é1eètriquement le télescope et la ligne de faisceau. A l'extrémité avant se trouve une fenêtre mince qui permet l e '

-passage des b3tas avec un minimum, d'absorption de leur

énergie. L'habitacle est mis à la masse, et deux connecteùrs

BNC permettent d'appliquer les tensions néw~ssaires au

•

fonctionnement des détecteurs.

1 .1.1 Mise e'n route ," _"

.'

.J

Un germanium de grande pureté (tout comme le silicium)

•

a l'avantage de ne nécessiter aucune précaution particulière lors de son entreposage. Cependant, l'utilisation de notre

système de détection requiert ~ mise sous vide et son

rerroidi~sement à la température de l'azote liquJ..de (77

~

.

degrés Kelvin).

On procède tout d'abord au pompage grâce à une valve

.si tuée à l' arrièrè d~ 1·' habi tacle. Le vide requis est de

•

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connecteurs

DE

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F1g. 1.1: Vue en. coupe du télescope bata~

(18)

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-10-•

l'ordre de

1n-

6

Torr. .Qe la z'olite, p1ac6e autour de la

tlg. de refroidissement, permet de oonserver le vide sans

po.page pendant une p&riode de temps pro10ng~e~ On refroidit

ensuite l'ensemble en plongeant la tige de refroidissement

dans un r&servoir Dewar Qonten~nt der

1'azote liquide.

Le processus de pompage dure une dizaine d'heures et il

"

faut 'compter encore 10 heures pour effectuer le

refroidissement. Si l'on ~sire ouvrir l'habitacle, il faut

a'assurer que l'ensemble soit Buffleamment réchauffé, pour

éviter la condensation qui risquerait d'endommager le~

composantes. Il fautr là encore, attendre environ 10 heures.

"

~ "

Nous disposons alors d'un télescope versatile q~i nous

donne une grande liberté d'utilisation. On peut, - en

disposant' de plusieurs ADC, faire simultanément les

/,

accumulations suivantes: CJpectre bêta

spectre gamma

.

,

spectre bêta et, gamma. "

Cette versatilité est due essentiellement aux

caractéristiques du détecteur DE. En effet, sa minceur et la

faible charge nucléaire du silicium font que les gammas _,

_.

ont

psu de chance d'y subir une intéraction, atteigna?t le E

sans avoir &t~ détectés ~ar le DE. Les bêtas eux cependant,

y. déposent en moyenne 10~ KeV, continuant ensui té jusqu~au

1 •

.

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•

détecteur E, où 'ils peuvent 1 ·déposer. une partie plus ou

/ '

moins grande de leùr { énergie. Le passage d" une particule

bita génère donc une impulsion dans chacun des détecteurs.~

Si lJon désire accu.uler un spectre bita, oh déclen~he l'AOC

que lorsqu'il y a colncidence entre le

&

et le DE, c'est le

•

mode E-DE"cofncidence.

Si par contre, ~on ne déclenche l'ADC que lorsqu'il S8

produit une impulsion dans le E, alors qu'il ne s'en produit

aucune dans le DE~ on obtient Uh. spectre gamma qui n~ (

oontient aucune trace de particules bêta. On opère alors le télescope,en mode E-DE anti-cofncidence •

..

Si par ailleurs, on ne fait aucune restriction de

co!ncidence entre le E et le DE et que l'on enregistre, tous

"-,

les événements,'le spectre accumulé contient à:la fois les

QAtall -et les gammas. On . utilJS8 alors le d-étecteur dans le .ode sans co!ncidence. Ce mode peut s'avérer utile car il

d'avoir pics d'électrons

dans un mêm~.spectre, les pics gamma et les

de conversion qui lettr sIont aS8oc-iéa:

o

Habituellement la différence d'énergie entre ces pics èst bien connue, permettant de faire une vérification rapide de l'étalonnage.

J

. Notons finalemen~ que lorsqu'on é-tudié un émetteur bêta

N , •

qui a une faible energie

,

maximale, un nombre appréciable de

particules bêta peuvent être stoppées par le DE. Ceà

événements seraient rejetés avec le circuit EDE co!ncidence

-et conduirait à l'accumulation d'un spectre bêta erroné. Il

s'avère alo~s prétérable de déclencher l'ADC uniquement à

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l'aide du,DE. • .----..,

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~ .. 1 Electronigue

Pout explotte~. au les posBibili~és du

télescope, le montaI, électronique doit être en mesure d'effectuer les opéPstions suivante's:

-so.mel' l', énergie. déposéè 'Cians le E e.t le DE

-gén~rer ,utte i.pulsion logique indiquant le passage

; ,

...

d'une particule .bêta au -travers du DE,

-g6nérer une impulsion logique indiquant la détection

.d'un ~Ita ou d'un gamma da~s le détecteur E

-: -grice à ces impulsions,

..

déclencher. le circuit de

•

co!ncidence.

La figure 1.2 montre l'arrangement d'un tel montage.

1.2~2 Etalonnage et ajustement des gai~s

"

l ,

,Da~ un, détecteur à semi-conducteurs, la aesure de

l'énergie d'une radiati.on est approxia.ativeaent indépendante de sa nature. Cette approximation s'avère particulièrement

'bonne pour'le germanium (enD ce qui concerne les bêtas, lee

gammas et les alphas [Kle-68]). Ainsi, un gamma et un bêta

de mAme' énergie gjnèrent dans le E une impulsion d~ sortie

de même grandeur. Ceci permet donc d'étalonner le détecteur à ltaide d'un spectre gamma même sl finalement, ce sont des

•

bêtas qui seront mesurés. Cette c~ractéri~tique qui est à'la

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VETO ~RTE

D'EMPILE, . MENT~"","--f

UNEAIR'E-F"to::---....

·-4,j~2 SOMME 433~ VERS AOC ,

...

•

J 1"300 VOLtS'" 100 VOLTS

HAUTE _AMPU. _{. AMPLI •}

_HAUTE

TENSION TENSION

459

572 _.

572

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INOtCATlUR

TFA

IHOICATEUR

/\ _{D'E . . . .}_EMENT , _{D·E ... EMENT}

-.(74

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-CFO CFD ,

473A

"":ATEUR of _D'I!WlLEMENT » r~ , E DI GOG GOG

41604-

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416A

j ,

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RS , TAC , VETO PO RTE "1 ,

467

UNE AIRE

.

,

Fig. 1.2: Montage 6lectronique du télescope. Les numéros _~

indiqu6s font r6rérence aux modules Ortec.

(TFA: amplificateur rapide, CFD: discriminateu~,

GDG: p~rte et gén6rateur de délais, TAC:'

convertisseur analogique de temps.)

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-14-base de la procédur~ d'étalonnage"constltue un net avantage ~/

de ce type de s1stè.e de ~étection sur les scintillateurs

plastiques. En ·effet, il est plus raci~ d'obtenir des

ga •• as de haute énergie que

d~iCS~d'électrons

d,ltèrgie

co.parabl.e, essentiels pour obtenir un étalonnage précis à

, .'

haute energie.

Pour que le processus d~ sommation de l'énergie du E et

du

DE

puisse

fODcti~DDer correct~nt. ~

faut s'assurer que

le gain de chaque détecteur sont identiques. P;ur y arriver .

on prdcède comme sui~; Premièrement 9n accumule un spectre

de 207Bi à l'aide uniquement du DE. Seuls les électrons de

conversion • sont alors enregistrés, les gammas

t

ntintéragis~ant pas aveç le DE de fagon significative. On

',~

~ixe ainsi le gain du DE à la valeur désirée, habituellement

de ~'ordre~de 3 à 4 KeV par canal. On utilise i cette fin

les raies K de 481.7 et 975.6 KeV (voir la tableau 1.1).

Malheureusement 'la raie à 1..682.2 KeV est trop fa,ible pour

\

Atre utilisée. Dans un second temps, on accumule un autre

•

spectre mais à l'aide cette fois du E unique.ent. Ce spectre

contient alors les b3tas et ~es gammas.

On

utilise les pics

gamlla de 569.7 détecteur E. et On 1063.6 KeV ajuste le pour gain " déterminer le gain du A' et l'on reprend

l'accumulation jusqu'à 1 ... ce qu'on obtienne la ' même valeur de

gain que celle du DE. La figure ·1.~, montre le genre de

sp,ctre obtenu.

Une fois cet a c oDlp-lâ té , le télescope est

..

)

prAt à fonction er correctement. L'énergie dissipée par les

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'·-.21 .7

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975.6 10&3.6

K.

' {100.0)

1048.1

L

25.3 1682.2

1770.2 '

K

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1754.4

L

0.056

'\

Tab-leau

1.1:

Car.,-ctéristj.ques de la . source- de bis.uth

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.

...

~ 200 ·250

.

Performance du. système 'ae détection. Le spectre au haut est la somme E+DE accumulé en lIlodf!

E-DE

a

co!ncipttna9 et le spectre intérieur celui de la 80.1Ie E+DE en mode sans co!ncidence.

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1

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(25)

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-17-bAtas dans le DE étant' de 'l'ordre de 100 KeV, une erreur

d 'u~ pour cent sur l' aj ustemen"t des gains "engendre une erreur

absolùe faible, dè l'ordre d'un KeV.

Pour un étalonnage à haùte énergie, on peut utiliser

une source de 66 Ga (T₁/ ₂=9.45 heures) qûi'JUt des gammas - ~

"

j~qu'à 4.8 MeV. Une telle source est tacilement produite à

l'aide de la réaction:

• CI'

• 66_{Zn (p,n)66Ga •}

Si l'on désire ~es gammas atteignant environ 8 MeV, on

peut se servir des pics de la capture neutronique des noyaux

d'alulDlnium et de fer '[Ste-78, Bar-67] • Oependant,

l'efficacité du détecteur E étant faible pour des gammas de

1

cette énergie, i~ est parfois difficile de les identifier,

le nombi'e d'événements enregistrés demeurant assez f.aible. "

1.2.3 Résolution

..

La résolution du télescope E-~~ à 1 ~eV est de l'ordre

de 8 KeV pour les gammas et de 14 KeV pour les, bêtas. La - ~igure 1.3 montre un aperçu des performances du syst~me. '

.

,

1.3 Pertes dans le télescope

L'énergie disponible dans le détecteur ne correspond

pas à l'énergie incidente de la particule bita. En effet,

une partie de cette énergie est dissipée dans la fenêtre

d'entrée et dan& la région inactive des détecteurs.

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(26)

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•

traces de: Mo, Mn, C, Be ,[Lid-81J ). On a sélectionné ce

~~~~ princiP~lem'ent

à cause d: sa grande résistance.

L'énergie des bêtas qui y est dissipée en fonction de )

leur énergie incidente a été mesurée e~ accumulant deux

~ectres d'électrons de conversion de 1,188

rr ;

l'un dans les

condi ti.ons norm~les et l'autre, én sup~rposant à la ' fenatre

une feuille d'Havar identique. La dlfférence de position des

pic~ d'électrons des 'deux spectres correspond.à l'é~ergie dissipée dans une épaisseur de feuille. "La figure 1.4 montre

l'allure de cette courbe ainsi que l'estimé théorique

calculé à l'aide de la table de Pages et al. [Pag-701.

Joa plupart de's détecteurs à. semi-conducteurs ont une

région dite ânactive, où l'énergie qui y est 4iss~pée ne

'contribue pas à l'impulsion de courant de sortie. Elle est

de l'ordre de 409 nm ppur le germanium et de 150 nm pour le silici'um '!Kno-79, page 502], ce qui correspond à une é'nergie '

totale de l'ordre d:un KeV. Dans

notre~ette'

correction

~'est pas ~ignificative et est donc ~égligée.

1.4 Détecteur gamma

Lorsqu 'un- noyau ·subit'une d~croissance bêta, le n~yau

fille est,~issé dans un"état,éxcité. Peu de'temps après, il

se dé-excite principalement ,par l'émission de photons

g~ma

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.

,

'. 1000 1500 2000

2500-ENERGIE INCIDENTE (KeV)

•

Fig'. 1.4: Absorpt.ion dé l'én~rgie des, b8tas dans la fen3tre

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-20-On

peut donc a~outer notr&- montage Ul) d'tecte,ur gamma

•

~ supplémentaire, typiquement un:GéHP' de grand volume, qui

nous perme:t d'effectuer des études de co!ncidences

bêta-gamma (voir figure 1.5)~ Ces études s'avèrent souvent

utiles si le schéma de désintégration est mal connu, ou

lorsqu'on veut le simplifier ou e~core, lorsqu'on est au

prise avec un noyau possèdan~ un état isomérique.

. pien ,qu' i'l soit possib~è de eélectionner une

colncidence électroniquement lors de' l'expérience, il es1;

préférable d'enregistrer tous les événements sur bande

magnétique " pour ensuite, lors de l'analyse" procéder à' la

pélection de celleè qui nous intéressent. L'information que

l'on doit enregistrer est l'énergie de la particule bêta

émise, èelle du gamma et l'intervalle 'de temps qui sépare

les deux événements. Pour qu'une telle 'équence soit

retenue, il faut cependant que la particule bêta et le gamma

$olen~ détect's dans cin .interva1le de temps assez ~ourt,

typiquement de moins· de 100 nano·secondes.

Les spectre~ gamma alpsi obtenus permettent aussi

~

d'e'stimer la pureté de la source ainsi que dtide~tifier ~es

éléments contaminants présents.

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CIRCUIT DE

COINCIDENCE

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spectre bata

CIRCUIT DE

COINCIDENCE

coincidencè

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beta-gamma

-DETECTEUR

GAMMA

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-AMP~I. f

spectre

gamma

,

"

", Fig.' 1 -5,: Schéma du montage électronique de l'addition d'un détecteur gamma au circuitQdu

télescope.-'.

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-22-.

CHAPITRE 2:

Fonction de réponse

Idéalement on 8 oUhai terai t

meaure l'énergi'e réelle de

avoir un détecteur qui

la pàrticule bita. Cela signifierait que toute- l'énergie de la particule incidente

est convertie à l'intérieur de l~ région active, du

~. J, ,

" détecteur.

En

prat'ique cela n'est pas le cas. La perte d' ùlre

partie de éette énergie engendre

_..

l~ distorsion des spectres •

Donc avant d", les analyser, il faut conRattre la

dis,tributi~n en énergie générée par le détecteur, pour une

t

distribution incidente donnée. Cette relation est donnée par la fonction de réponse. Elle représénte essentiellement le

,

,spectre obtenu lor,squ' on envoie sur le détecteur un faisceau

de p8r~icules bêta' monocinétiques. La figure 2.1 montre

l'allure typique de cette fonction pour les positrons. La

, , fonction dt\l réponse a 'donc

~té mesuré~

expérimentalement en

utilisant le '~pectromètre de l'Univers~té de Montréal.

, "

2.1 Principe de détection ,d'un détecteur à semi-conducteurs

Lorsqu'une radiation entre daps un milieu

i

semi-,conducteur, elle fournit l'énergie nécessaire à la

,

promotion d'électrons de la bande de vàlence à la bande de

conduction, L'intér~ction peut. y 3tre très complexe mais

ultimement, mène à la' création de paires oélectron-trou. Sous

llertet d'un champ' électrique, il y a production d'un

~

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2.1: Fonction de réponse t~pique pour les positrons. Le

grand pic

c~rrespo~4,:-

à l'absorbtion comp1:ète de

l'énergie cin~tique -du positron. Le continuum à

~ , "

JI"'" plua basse energie '- repre~nte1:a contribution de

\

la rétrodiffusion b~ta e\~ du bremsstrahlung. La

structure s'étendant de 1.7 à 2.2 MeV est le

premier Compton. On p~ut aussi voir un petit pic à

1.8 MeV correspondant

_,.

à la' rét~o4iffusion gamma.

Epfin, le pic, de 2.2 MeV et celui de _, .2~7 MeV (à

peine visible), corresp~ndent respectivement à

l'absorbtion oomplète d'un et des deux gammas

d'annlhilatio~ _; _- , ~ "

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-courant proportionnel à l'énergie déposée par la radiation.

La quantité importante dans ce p~cessus est l'énergie

nécessaire à., la formation d'une paire. Elle

~lutôt

faible pour les semi-conducteurs, de· l'ordre de 3 eV pour le

.

germanium et la silicium, et-est d'environ 30 eV pour les

détect.eurs ~e type gazeux. Plus,cette énergie est faible,

plus il y a de porteurs de charge créés P9ur une~ radiation

d'énergie incidente donnée. L'importance de la fluctuation statistique en est alors réduite, améliorant la résolution.

, 2.2 Définition de la fdnctiob de réponse

1

La

fonct~on

J

réponse'

~u détecteu~·.

que, nous noterons

,

~----R(E.e)

[B~m-84~est

définié'

co~m.

la

détecter à une' énergie e une particule

probabilité de

bêta d'énergie

initiale E. Nous désignerotls par T(E) le spectre bê~a réel

et See} le spectre enregistré lors de l!expérience. On a donc:

.

Si on utilise un faisceau de positrons monoénérgétiques

'Eor le spectre bêta réel peut alors ~tre exprimé gr~ce à la fonction delta:

L'. expre-ssion du

.

l

T( E)

=o(

E-~O)

spectre ~esuré devient alors;

S( e)=

JS(

E-EO)R( E.e ;dE

S (e ) =R (E_O" e)

Ainsi la fonction de réponse du ~étecteur peut être obtehue

..

---\ ,

(34)

, .

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1

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* •

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-26-par l'accumulation de spectres bita monoénergétiques.

L'allure de cette fonction dépend principalement du

type d'intéraction que ~a particule bAta peut subir dans la

région de détection, ainsi que d'& la géométrie, du détecteur.

-,

2.3 lntéractions à l'Intérieur du télescope

, i

Nous allons maintenant passer en revue les 'différentes

intéractions pouvant se produire à l'intérieur de la région

de détection et regarder de quelle fagon ell~s contribuent à

la fonction de réponse.

, <..3.1

Intérac-tion Cou10mbienne

-,.

Une particule chargée passant à travers un matériau

composé d'atomes neutres, dissipe son énergie principalement _,

_.

en intéragissant électriquement avec les élecl.rons

,~tomiques. Lorsqu'il s'agit d'une'particule bêta, une grande

,

partie de son énergie peut 3tre transférée • à chaque

co1lisi)n, conduisant a

..

des changements radicaux de

trajectoire. Il peut alors arriver que la particule diffuse ~

1

hors du détecteur, nE! d~po-sant qd', une partie de son énergie

incidente. Même s'il est possible que cette diffusion' ai~

lieQ par le 'coté du télescope, il est géométriquement plus _ ~robable qu'elle se produise à travers la surface d'-entrée:

nous parlons alors de rétrodiffusion. La probabilité d'~n

tel événement est d'autant plus grande que l1énergie de la

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-27-particule b'ta est faible et que la charge-atomique d~s

'atomes du milieu absorbant est 'élevée •

.

•

1

2:3.2

Radiation de freinage (~bremsstrahlung")

.

."

La physique ch.ssique stipule· que toute charge

'accélérée é1Det de la radiation de freinage , ou

..

"~remsstrahlung". Le changement abrupt de direction de la

particule bAta dans le détecteur et sa décélérat~on globale

correspondent à des accélérations qui mènént à l'émission de

"bremsstrahlung". Ce prQcessus est important pour. une

-'

particule relativiste. ,La q~ntité d'én~rgie émtse crott

avec l'énergie incidente et _, est plus grande pou;, de~

absorbants de cha~e~atomique plus élévée.

Généralement l'énergie moyenne des photons produits demeure assez faible, favorisant leur réabsorption près ,du

'\

site d'émission. Toutefois .. ,dans un détecteur-de petite taille, il se peut qu'une grande partie .de cette radiation s'échappe, affectant considérablement les caractéristiques de sa fonction de réponse.

2.3.3

Annihilation

...

,Lorsque la particule bAta qui entre dans le détecteur

est un positron, elle peut être stoppée pour ensuite

s'aDnihiler avec un électron du mi~ieu absorbant. L'émission

de deux photons de 511 KeV dans des directions opposées est

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alors de loin le proceaeus le plus probable. Ces ,gammas ont

un grand pouvoir

lb

pénétration donc, une grande proba~ilité

• •

de s'échapper du détecteur. Deux types d'intéraction peuvent

•

cependant se produire entre ces gammas et, les électrons du

milieu absorbant:

_.'

-la diffusion Compton -l'erfêt photoélectrique.

Ain~i, via·, ces- deux in~éraction8', le positron dl énergie

cinétique E peut transmettre au détecteur une

énerg1&-~axima1e de E+1022 KeY.

2,3.4

Diffusion Compton _i

Lors d'une diffusion Compton, une partie de l-'nergie

du gamma est transfé~ée à un électron du milieu absorbànt.

,Dans le cas de photon. da' 511 KeY, l' é~ectron peut acquérir

.

une quantité d'énergie variant de

o

a , 340 K~V environ,

dépe~damment de l'angle de diffusion. La probabilité qu'une telle intéraction se ,produise dans le détecteur est assez

grande, menant à une contribution importante à l~ fonction

,

.

de réponse.

I l peut arriver qu'~n gamma d'annihi~tion qui s'était

~chappé de la région active s~bisse une diffusion Compton

1

dans leJlJ,.l1eu qui 'entoure le détec'taur. Le photon peut

•

_.

alors diffuser po~r revenir' intér.agir ~vec le milieu

de-~étection. Pour ce faire, i l faut que l'angle de diffusion

soit

•

d'environ 180 aegrés·. Nous parlerons alors

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rétrodir~,~~on gamma. Or dans cette ~égion, la variation de

~

,

l'énergi~· _. _.-..U gamma 4iffusé varie lentement avec l'angle de

~dirrusion. M8me si le nombr~ d'évènements aemeure faible et

- que sa contribution"n'est pas ,importante pour notre fonction

, Iii

de réponse, , i l est cependant' possible d'observer un pic

correspondant à ces gammas. Pour ces angles on obtient une

éner~ie de gamma de l'ordr~ de 17d KeV (voir figure 2.1).

2.3.5 Effet photo'lec~ri9ue

Lorsqu'il se produit une' intéraction photoélectrique

•

c'est ,toute l'énergie d~' gamma qui est trana.ise à un

électro~

atomique du milieu absorbant. La section efficace

de l'intéraction photoélectrique est grande pour les gam,as

.

~

de faible énergie. Ce processus est donc impo~tant dans le

mécanisme de réabsorpti'on du "bremsstrahlungn • C'est aussi

"

principalement

r

via .cette intéractl~ que les photons

d' annihila ti~rt peuvent déposer toute l'eur énergie.

2.4 Mesure de la fonction de réponse

Lors d'une expérience précédente zléalisée- à

l'Université.de Montréal, un grand nombre de spectres' ont~

été accumulés, permetta~t:de procéder à la paramétrisation

--:----de la fonction --:----de réponse. Une secon--:----de expérience que nous

,

.

'avons menée avait pour but d'a~éliorer sa connaissanc~,

principalement dans ,la région

des~hilation

et des

i

j

(38)

1 l

,.,

*

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-30~

Compton qui leur sont associés.

.

,

sur l'accumulation de spectres

2,4.1 Spectromètre, L'emphase a

---~c

été de bonne

statisti~ue.

;

.

-mise Il)

Le spectromètre de llUniversité de Montréal construit

par G. Beaudoin et H. Jeremie [Bea-84] se compose

principalement d'un électro-aimant dipolaire a , centre

ferrique 'et de deux éléments quadrupolaires (voir la figure 2.2). Le dipôle permet de sélectionner l'énergie des bêtas,

tandis que les quadrupôles assurent la focalisation du

faisceau obtenu. Les fentes de sortie se composent de deux

scintillateur~ plastiques qui forment un c~llimate~r actif.

Chaque impuls~on provenant du détecteur qui est géhér'e en

c

co!ncidence avec. une impulsion du çollimateur, indique la

détection d'une '

a~tiCUlAiff\l'S~e

et peut alors être

reje~ée. La réao tion dp/p atteinte èat de l'ordre de 0.6

pourcent. 'Le .spe tromètre est' monté en ligne avec u n d e n

Van de Graff uvant produire un faisceau de protons de 12

MeV de plus microampère",

du s éctromètre

~'

Le champ de chaque élément magnétique peut être varié

indépendamment. des autres, permettant l' aj uatement de la

J:

focalisation. Pour ce faire, on procède de 1:a façon

suivante: on l}tj,lise une source de strontium (90Sr : émetteur

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(39)

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SONDE DE HALL ~ COLLIMATEUR 1 ,<,,: 10. ( ~ ~ ~ " " ....

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1~~_ ~ .... ""'~~7·-~ FENTE ACTIVE

,

DOUBLET OUAORUPOLAIRE VARIAN ( APERTURE ~ 6-dio-l

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Fig. 2.2:

Spec~romètre

de l'Univsrsitt de Montréal.

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• • • !

-32-E

_max-

-546

KeV) puis on fixe lé champ.du dipôle à.une valeuIt qui n'ous donne un bo'n ta.ux de comptagE'. Al' aide d'un

scintl1lateur plastique, on trouve l'e-mplacement qui

correspond a l' intensi té maximale. On varie' ensuite

indépen~amment le champ

optimale correspondant au

des quadrupôles, la focalisation

•

meilleur taux de comptage. Une

commande principale permet ensuite de varier simultanément

le ,champ de tous les aimants afin de préserver la

focalisation pour toute la gamme d'énergies que l'on peut

sélectionner à l'aide du dipôle. Cett~ focali~ation donne au

2 ' •

,mie~x une image -de 4

III .

Pour effectuer lès mesurea avec

des positrons on inverse les connections des éléments

magnétiques •

2.4.3 Montage expérimental

l '

Par un choix judicieux du type ~e faisceau, de la ~ible

et du P?tentiel d'accélération de l'accélérateur, on peut

produire des électrons ou des positrons de plus de 10 MeV.

La sélection de la'réaction résulte d'un compromis entre sa

•

section efficace et l'énergie des b3tas qu'elle produit. L'expérience réalisée ayant pour but de mesurer la fonction

..

de réponse pour d~ positrons jusqu'à 5 MeV, la réaction

suivante a é~' utilisée:

Les positrons émis ont une énergie maximale de

7.4

MeV.

Le détecteUr est alors monté au point, focal du

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