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Submitted on 1 Jan 1978
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P. Ageron, H. Fanet, A. Garin, J. Robert, M. Rouger, J. Saudinos
To cite this version:
DÉTECTION DE PARTICULES AU MINIMUM D'IONISATION
PAR ÉMISSION D'ÉLECTRONS SECONDAIRES
P. AGERON, H. FANET, A. GARIN, J. P. ROBERT, M. ROUGER et J. SAUDINOS Département de Physique Nucléaire,
C.E.N. Saclay, B.P. 2, 91190 Gif-sur-Yvette, France
Résumé. — L'émission d'électrons secondaires comme moyen de détection des particules de haute énergie est employée. Des cibles de chlorure de potassium poreux ont été testées avec des protons d'énergie supérieure à 400 MeV ainsi qu'avec des deutons et tritons de haute énergie. Les efficacités et les spectres d'électrons secondaires émis sont présentés. Des mesures de temps obtenues avec ces cibles associées à des galettes de microcanaux sont présentées. Les résultats justifient l'emploi de ces cibles poreuses pour la détection des particules au minimum d'ionisation.
Abstract. — The use of secondary electron emission to detect high energy particles is investigated. Low density KCMayers have been tested to detect MeV electrons, 500 MeV proton and high energy deuterons and tritons. The efficiency and the secondary electron spectrum are presented. The results justify the use of low-density KC1 layer to detect minimum ionizing particles. Actually the timing resolution for different KC1 thicknesses is lower than 250 ps.
Le développement d'accélérateurs nouveaux à forte intensité et l'amélioration des conditions expé-rimentales de la physique des énergies intermédiai-res conduisent à des recherches sur de nouveaux principes et méthodes de détection. Ceci pour deux raisons essentielles : i) les méthodes de détection existantes (aimant par exemple) sont très lourdes ; des détecteurs rapides mais plus simples seraient intéressants ; ii) les fortes intensités de faisceau demandent l'application de techniques de détection à réponse rapide pour de très faibles pertes d'énergie dans un détecteur.
Certains auteurs ont proposé, depuis plusieurs années, de se servir de l'émission électronique secondaire créée lors du passage d'une particule dans un matériau mince comme moyen de détection [1-7].
Les composés les plus connus actuellement sont KC1, MgO, la cryolithe, Csl réalisés à de très faibles densités, entre 1 % et 10 % de leurs densités propres.
Ces détecteurs minces et de faibles densités nous ont semblé intéressants pour plusieurs raisons :
• de masse très faible, ils peuvent être placés sur le trajet du faisceau sans le perturber. Ces cibles ne dépassent jamais la correspondance de 1 mg/cm2 d'aluminium ;
• la sensibilité aux neutrons et aux rayons gamma est très faible ;
• l'émission électronique secondaire est sans inertie, d'où la possibilité de réaliser des détecteurs à réponse rapide ;
• nous espérons également obtenir, avec ces détecteurs, la perte d'énergie de la particule traver-sant la couche de basse densité, l'émission secon-daire variant avec le dE/dx de la particule.
Après des mises au point technologiques, ces détecteurs pourront être réalisés en grande surface. Toutefois, l'utilisation des émetteurs de faible den-sité comme détecteurs de particules d'énergie inter-médiaire pose un problème. Le nombre d'électrons secondaires émis pour une particule au minimum d'ionisation étant très faible, iî est indispensable d'avoir une grande précision sur la mesure des pertes d'énergie, c'est-à-dire qu'il est indispensable d'avoir un grand nombre d'électrons secondaires. Ce problème sera résolu soit par une majoration du coefficient de l'émission secondaire, soit par l'augmentation du nombre d'émetteurs dans un seul détecteur. Dans ce travail nous présentons les étu-des faites sur KC1 et sur Csl.
Les cibles sont réalisées sur des supports d'alumi-nium de plusieurs cm2 et quelques microns d'épais-seur. Le produit est évaporé par effet Joule sous des pressions d'argon de 1 à 10 torrs. Les épaisseurs évaporées peuvent varier de 10 |xm à 500 fjum. Nous savons que la densité de ces cibles sera fonction de la pression d'argon dans l'enceinte d'évaporation et que l'épaisseur sera fonction du temps d'évapora-tion. Les études de ces nouveaux détecteurs à émission secondaire sont faites dans une enceinte à ultravide, certains de ces composés étant hygrosco-piques. Le transfert de l'enceinte de fabrication à l'enceinte de test se fait sous atmosphère d'argon.
rience au laboratoire, ce sont des particules a de 8,7 MeV ou des électrons dont l'énergie est supé- rieure à 1,5 MeV. Le détecteur de déclenchement est un détecteur semiconducteur silicium-lithium de
3 mm d'épaisseur. Dans le cas d'expérience faite avec un faisceau de Saturne, deux scintillateurs
,
situés à l'entrée et la sortie de l'enceinte, donnent une coïncidence lors du passage de la particule dans la cible. L'émetteur à étudier est placé à un angle de quelques dizaines de degrés par rapport au faisceau incident. Les deux détecteurs d'électrons secondai- res A et B sont placés à 1 cm, parallèlement de part et d'autre de la cible. Un champ variable est établi entre la cible et les deux détecteurs d'électrons secondaires.
densité avec des particules a de 8,7 MeV ; l'épais- seur de la cible est de 100 ym, la densité 4 % ; d) le spectre d'électrons secondaires obtenus sur ce même KCl avec des électrons d'énergie supérieure à
1,s MeV.
La figure 3 représente le nombre d'électrons moyens et l'efficacité en fonction du champ appli- qué entre la cible émissive et le détecteur d'électrons secondaires pour un faisceau d'énergie supérieure à
1,5 MeV traversant des cibles de 300 ym et 500 ym. La figure 4 représente le nombre d'électrons moyens et l'efficacité en fonction du champ appli- qué entre la cible émissive et le détecteur d'électrons secondaire pour des électrons dont l'énergie est supérieure à 1,5 MeV traversant des cibles de Cs1 de
75 et 125 Pm.
La figure 5 représente l'efficacité et le nombre d'électrons moyens donnés pour une cible de
300 ym traversée par des protons de 400 et
600 MeV. Nous voyons sur cette courbe que les deux énergies sont vraiment séparées.
serni conduclor detectar or plastic sciniillotor
4-
cacité, de nombre d'électrons et de mesures en OU Le tableau 1 représente quelques exemples d'effi- pour différentes particules et différentes énergies. Nous avons pu constater, dans ces cibles, unFIG. 1. - Schéma d'expérience.
Une coïncidence est faite entre le détecteur de déclenchement et le détecteur d'électrons secondai- res. Lorsqu'il n'y a pas d'émission secondaire lors du passage de la particule, un signal Po est enregistré, sa hauteur correspond au niveau du bruit du détec- teur d'électrons. Lorsqu'il y a émission de 1 , 2 , 3 ,
. . .
n électrons secondaires, un signal P,, P,, P,, P, est enregistré, la hauteur de ces pics correspond à 1 , 2 , 3, n fois la valeur du champ appliqué entre la cible et le détecteur d'électrons.
On peut aussi faire une coïncidence entre le détecteur de déclenchement et les deux détec- teurs A et B d'électrons secondaires dont les signaux sont sommés (A +B). C'est ce que nous appelons les mesures
OU.
Afin de pouvoir bien étudier les spectres d'élec- trons secondaires de nos émetteurs, nous avons utilisé des détecteurs semiconducteurs refroidis. L'ensemble de l'électronique, détecteurs compris, a une résolution inférieure à 10 keV.
Nous voyons sur la figure 2 : a) le spectre d'élec- trons secondaires obtenus sur l'aluminium avec des particules a de 8,7 MeV ; b ) le spectre d'électrons
phénomène d'avalanche à l'intérieur des couches poreuses. Ce phénomène se produit à des champs de plus en plus bas lorsque l'épaisseur de la couche augmente. Un des précédents auteurs avait déjà constaté ce phénomène avec des électrons primaires de basse énergie. Nous voyons donc qu'il sera intéressant, dans le cas de particules d'énergie intermédiaire, pour augmenter le rendement, de réaliser ces couches très épaisses afin de ne pas avoir à utiliser des champs élevés entre la cible émettrice et les détecteurs.
On a déjà utilisé, en physique nucléaire, dans le cas des ions lourds ou des fissions, la rapidité de l'émission secondaire de cible de carbone, d'alumi- nium, ou autre, comme système de temps-vol.
Il était intéressant pour nous de vérifier si les cibles de basse densité conservaient cette rapidité, le transit dans les matériaux poreux et le multiplication des charges pouvant introduire des délais en temps importants.
Nous avons fait des essais sur KC1 poreux avec des particules a de 8,7, sur KC1 poreux et Cs1 avec des électrons d'énergie supérieure à 1,5 MeV. Le système expérimental est le même que celui utilisé avec les détecteurs semiconducteurs, ces derniers étant remplacés par des galettes de microcanaux.
KCI Iow'density 100'pm
oc ,83 MeV
cx 83 MeV.
20 kV.cm4
.
I
FIG. 2. - Spectre d'électrons secondaires obtenus :
a) sur une cible d'aluminium avec des a de 8,7 MeV.
b) sur une cible de KCI (densité normale) avec des a de 8,7 MeV.
C ) sur une cible de KCl (basse densité) avec des a de 8,7 MeV.
d) sur une cible de KCl (basse densité) avec des électrons d'une énergie supérieure à 1,5 MeV
N A
electrons>l,S MeV C S I Basse densité =
7 5 8 1 1 5 ~ cible à 65'
i x =efficacité T
O o :nombre felectrons moyens fi 2000
FIG. 4. - Mêmes courbes obtenues avec des cibles de Cs1 de 75 p et 125 p (basse densité).
-
KCI low density 1OOpmB E) 15 MeV
20 kV.cm4
8.30-
' p 6 9 %
5.165
FIG. 3.
-
Nombre d'électrons secondaires movens et efficacité'"Jk-
0 5,
n (dlen fonction du champ appliqué entre la cible émissive et le
détecteur d'électrons secondaires sur 2 cibles de KCl (basse La variation de ces différentes polarisation est densité). intéressante pour pouvoir appliquer un champ suffi-
sant dans la cible émettrice tout en gardant aux des galettes sont réglables de 800 à 1 000 volts ; des électrons émis une énergie favorable pour l'effica- champs de 200 à 1 000 volts sont appliqués entre les cité dans les microcanaux.
7 % n, 7 n,
-
-
-
-
-
-
-
Protons 400 100 75 2,2 300 90 4,7 400 94 4,87 600 300 87 3 96 5,29 400 88 5 750 100 65 2 Deuterons 250 100 87 5,48 500 300 92 4,24 98,5 7,l Champ électrique kV cm-'-
10 2 10 20 2 10 20.
Faisceau a 8,7 MeV Cible-
Al KCl 100 km-
-
KC1 200 ym-
-
Efficacité % - 78 82 84 82 Résolution temporelle LTMHFIG. 5. - Nombre d'électrons moyens et efficacité obtenus avec 2 KCI 400 ym 96 420 ps
10
-
90 330 psdes protons de 400 MeV et 600 MeV pour une cible de KCI (basse
20
-
densité). 92 210 ps Tension en Volts \ Distances en mm \ \ \ -4400 C i b l e -2400 à -4400""-*---
3 01-'
Sortietemps amplitude mesurant l'intervalle de temps A T = t , + R - t a - r .
te temps de transit des électrons entre la cible et les galettes,
R retard introduit sur la voie électrons,
ta temps de transit des a ou des électrons entre la cible et le détecteur à barrière de surface,
r retard introduit par le détecteur de déclenche- ment. La largeur du pic de coïncidence obtenu mesure la résolution en temps du système. Les bandes d'énergie considérées pour les a ou les électrons sont données par un sélecteur de bande.
Le montage électronique est le suivant :
1. Voie électrons.
-
Microcanaux (RTG G 25.25),surface ouverte 60 %,
0
des microcanaux 25 pm, gain à 1 000 V-
IO3, inclinaison des micro- canaux 13".Une anode coaxiale d'impédance 50
cR
est reliée àl'amplificateur rapide.
FIG. 6. - Schéma de montage pour des études de temps de vol. 2- ~ é t de déclenchement. ~ ~ t ~
-
~~ ~ ~~de i è ~ ~surface ou 2 scintillateurs.
teur sera de l'ordre de 100 ps. Les signaux du Amplificateur rapide (gain 10, bande passante détecteur de déclenchement et des microcanaux sont 0,600 MHz, temps de montée 500 s, bruit ramené à
Discriminateur (du type leading edge, du labo- ratoire, du type à fraction constante type ORTEC 473 A).
Codeur temps-amplitude (type ORTEC 457).
Le tableau II montre les résultats obtenus avec un faisceau asde 8,7 MeV sur des cibles de KC1 poreux dont les épaisseurs varient de 100 à 400 p.m.
Les résultats en temps, obtenus dans ce cas, sont intéressants et prometteurs ; ils sont du même ordre
de grandeur avec CsI. Lorsque nous remplaçons le faisceau d'alpha par des électrons au minimum d'ionisation nous constatons des temps aussi rapides mais le rendement est très faible. Pour ces premières cibles, les microcanaux ne nous sembIent pas un moyen utilisable jusqu'à présent au faisceau. Nous pensons qu'il serait préférable d'utiliser des cibles poreuses en cascades afin d'obtenir des temps du même ordre avec un bon rendement.
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