LA DÉTECTION DES PARTICULES AU MOYEN DES DÉCHARGES DANS LES GAZ

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Submitted on 1 Jan 1969

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LA DÉTECTION DES PARTICULES AU MOYEN DES DÉCHARGES DANS LES GAZ

G. Charpak

To cite this version:

G. Charpak. LA DÉTECTION DES PARTICULES AU MOYEN DES DÉCHARGES DANS LES GAZ. Journal de Physique Colloques, 1969, 30 (C2), pp.C2-86-C2-96. �10.1051/jphyscol:1969213�.

�jpa-00213677�

JOURNAL DE PHYSIQUE

Colloque C 2, supplément au no 5-6, Tome 30, Mai-Juin 1969, page C 2 - 86

LA DÉTECTION DES PARTICULES

AU MOYEN DES DÉCHARGES DANS LES GAZ

G. CHARPAK CERN, Genève

Résumé.

Divers progrès ont été enregistrés dans les techniques de détection de particules au moyen de décharges dans les gaz. Les chambres à streamers sont utilisées dans plusieurs expé- riences. Des systèmes très complexes de chambres à étincelles automatiques ont été mis au point.

Les chambres proportionnelles présentent des propriétés nouvelles qui sont examinées en détail dans l'article.

Abstract.

Discussion of some of the most recently developed detectors based on gas dis- charges. Particular emphasis is placed on the proportional wire chambers which offer many novel attractive features.

1. Introduction. - Les trois mois qui nous sépa- rent de la Conférence internationale sur l'électronique nucléaire, qui s'est tenue à Versailles, ont évidemment vu peu de développements spectaculaires. Il serait donc inutile que je répète en détail le rapport que j'ai fait [l], à cette occasion, sur l'évolution des techniques de chambres à étincelles, telle qu'elle apparaissait en septembre 1968.

Je voudrais cependant, par une brève introduction, situer les contributions faites à ce congrès par rapport aux progrès effectués dans les techniques de détection des particules, faisant appel, à des degrés divers, à l'amplification de l'ionisation primaire produite dans les gaz par les particules chargées.

Les travaux relatifs aux chambres à étincelles à petit intervalle (< 1 cm) ont surtout porté sur la réalisation de systèmes complexes, de grandes dimensions, avec mesure automatique de la position des étincelles, sans la prise de clichés photographiques [2], [3]. Les diverses techniques d'extraction automatique des positions de l'étincelle ont été éprouvées au feu des expériences auprès des accélérateurs et font l'objet de plusieurs contributions à ce congrès [4], [5], [6]. La réalisation de chambres à fils fonctionnant dans le domaine proportionnel fait l'objet d'un effort de développe- ment. Trois méthodes d'extraction des informations de ces chambres sont présentées [7].

Parmi les techniques utilisant les clichés photogra- phiques, la chambre à streamers et la chambre à lon- gues étincelles ont été plus tardivement exploitées dans des expériences. Une chambre à longues étincelles

cylindriques fait l'objet d'une communication [8].

En raison de l'intérêt considérable qui s'est développé récemment au sujet des chambres à streamers, il me semble utile de dire quelques mots de leurs propriétés.

2. Chambres à streamers.

Les chambres à strea- mers ont franchi assez récemment le cap opérationnel, et les obstacles qui intimidaient les utilisateurs éven- tuels paraissent désormais abordables. La chambre utilisée auprès de l'accélérateur linéaire de Stanford (SLAC) a déjà permis de réaliser une expérience sur la photoproduction de résonances bosoniques.

A Hambourg a été réalisée une chambre à streamers avec une cible à hydrogène de 20 mm de diamètre et de 40 mm de longueur. Le fonctionnement des chambres nécessite des champs de 20 kV/cm, ayant une largeur d'une dizaine de nanosecondes et dont la réalisation est actuellement au point. La figure 1 montre un beau cliché d'un événement obtenu dans la chambre de Stanford.

La précision des coordonnées d'un point d'une trajectoire est de -1- 0,5 mm dans la direction perpen- diculaire au champ électrique et elle atteint quelques millimètres dans la direction du champ.

La mémoire est de l'ordre de 10 ps. Il est tout à fait possible qu'elle puisse être réduite à lps, mais il reste à prouver que la quantité de lumière qui est alors émise est suffisante pour une exploitation pratique de ces chambres.

Si ces performances sont notablement inférieures à celles des chambres à étincelles courantes (précision

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1969213

DÉTECTION DES PARTICULES AU MOYEN DES DÉCHARGES DANS LES

FIG. 1.

Chambre de SLAC (Stanford) 2 m x 1,5 m

0,6 m.

Evénement

branches chargées, produit par un faisceau de y dans un tube d'hydrogène sous 3 atmosphères.

possible0,2 mm et mémoire voisine de 0,5 ps), la qualité des clichés montre que la chambre à streamers va permettre d'étudier des problèmes inabordables avec les chambres ordinaires. On peut, avec ces chambres, étudier des phénomènes qui se traduisent par une configuration des particules chargées émises de façon isotrope par rapport à la direction des faisceaux, et d'une complexité telle que la chambre à étincelles ordinaire est inadéquate. Il existe de nombreuses réactions intéressantes qui ont été, pour cette raison, l'apanage des chambres à bulles.

La chambre à streamers peut permettre la recherche sur les clichés de phénomènes rares par rapport à la logique choisie pour déclencher les chambres, alors qu'une telle recherche est, en général, impossible avec des chambres qui donnent brutalement une étincelle.

3. Chambres à longues étincelles. - Ces chambres ont un champ d'application limité en raison de leur anisotropie et des biais qui peuvent ainsi s'introduire.

Elles ont, toutefois, quelques propriétés précieuses dans certaines expériences : la précision des traces est la meilleure qui ait jamais été atteinte avec les cham- bres à étincelles : - 0,15 mm. Elles ont une efficacité voisine de 100 %, quel que soit le nombre des étin- celles.

Il faut noter toutefois que, même pour les chambres ordinaires à faible intervalle (< 1 cm), des progrès ont été récemment accomplis, qui permettent d'obtenir une efficacité de 95 % pour plus de 100 traces.

Elles se prêtent bien à la lecture automatique par magnétostriction et le Groupe du CERN du spectro- mètre de masse manquante utilise beaucoup de ces chambres de grandes dimensions (150 x 150 cm) à leur grande satisfaction [9].

4. Chambres sans photographies. - 4.1 LES

- De nombreux systèmes comprenant un grand nombre de fils sont en cours d'exploitation dans les laboratoires ; 10 000 à 50 000 fils par expérience sont aujourd'hui monnaie courante.

Des systèmes avec 200 000 fils sont en cours de mon- tage, avec des chambres de 10 x 10 m. Des systèmes avec plus d'un million de fils sont en cours d'étude pour un assez proche avenir.

Il semble que, jusqu'à 50 000 fils, on puisse balancer entre le choix des tores ou de la magnétostriction, mais pour les très grands systèmes, c'est la magnétostriction qui sera employée. Un groupe du Collège de France a présenté, à ce congrès, un spectromètre comportant

15 000 fils analysés par magnétostriction [2].

Un système avec 30 000 ferrites nous est présenté par un groupe travaillant auprès de l'accélérateur Nimrod [3]. Il est cylindrique. 300 ferrites en moyenne basculent à chaque événement. Le système est utilisé pour l'étude du paramètre d'asymétrie dans la désin- tégration leptonique de Z-. Le temps d'enregistrement d'un événement est de 3 ms.

Il faut noter, en dehors de ce congrès, deux progrès

substantiels récents : J. Fischer a réalisé une chambre

C 2 - 8 8

G. CHARPAK à magnétostriction comportant 40 filslmm, destinée au

plan focal d'un spectromètre à particules lourdes [IO].

Il obtient une précision meilleure que 0,l mm pour les traces normales au plan de la chambre.

Le même auteur a également réalisé un système de chambres cylindriques [ I l ] à magnétostriction entou- rant une cible, mais dans un champ de 100 kG, si bien que sa précision dans la détermination des impul- sions est égale à celle d'une chambre à bulles à hydro- gène, tandis qu'il peut prendre cent fois plus d'événe- ments.

4.2 CHAMBRES

- La méthode des chambres à courant, malgré sa simplicité, n'a pas trouvé un emploi aussi général que les chambres à fils.

Sa précision est comparable, mais son défaut essentiel réside dans son incapacité de séparer plusieurs étin- celles simultanées dans une même chambre.

Nous l'avons utilisée au CERN dans une expérience où il était nécessaire de mesurer les positions dans l'espace de trois particules chargées ; 14 coordonnées étaient mesurées à chaque événement avec une préci- sion de 1 mm. Cette méthode nécessite une mise en œuvre de moyens en électronique très faible, et je persiste à croire que, dans certains cas, elle pourra rendre de grands services.

Elle est exploitée au CERN 1121 par un groupe qui désire mesurer la position des rayons a de faible énergie produits dans une cible à hélium par diffusion cohérente. Ils ont réalisé, autour de la cible, une série de chambres cylindriques à faible pression, environ 4 cm de Hg. Dans ces chambres, ils obtiennent les coordonnées simultanément sur les fils qui sont les génératrices du cylindre. Les fils sont reliés entre eux par un fil résistant et la mesure des charges qui s'écoulent dans ce fil donne la position du fil. Ils obtiennent 1 mm le long des génératrices et les fils sont distants de 2 mm.

A ce congrès est présentée une communication [4]

relative à l'utilisation d'un détecteur à courant associé à un spectromètre à protons. Avec un taux de répéti- tion de 150 coups par seconde, une précision de 0,7 mm est obtenue, permettant une résolution de 18 keV sur 24 Me V.

Un groupe de Strasbourg [5] est arrivé à réduire le retard au déclenchement de telles chambres à 55 ns.

Une telle rapidité pourrait être intéressante pour l'utilisation éventuelle de ces chambres comme détecteurs à décision. Je pense toutefois que cette application est aujourd'hui exclue en raison des avan- tages des chambres proportionnelles.

4.3 CHAMBRES SONIQUES. - La chambre sonique,

qui est également très simple, perd la faveur des physi- ciens. Un groupe de Strasbourg [6] nous décrit son utilisation dans un spectromètre à paires.

Soulignons qu'un auteur allemand [13] décrit un progrès récent dans ce domaine. Il mesure la vitesse du son dans les électrodes au lieu du gaz. La réponse est plus rapide. 11 prétend pouvoir détecter plusieurs traces.

L'avantage de cette méthode, comme de celles des courants, est qu'elle s'applique dans n'importe quel champ magnétique, Il semble établi toutefois qu'il est rare qu'on ne puisse pas trouver une solution pour faire marcher des chambres à fils dans n'importe quel champ, puisque J. Fischer les utilise dans des champs de 100 kG.

5. Les chambres à fils proportionnelles. - Des compteurs proportionnels, constitués d'un grand nombre de fils, étaient utilisés depuis longtemps.

Deux obstacles s'opposaient à la réalisation d'ensem- bles de grande surface :

La conception de leur construction s'opposait à l'obtention de grandes surfaces planes avec des fils très rapprochés et le prix de l'électronique de détection associée était élevé.

Par exemple, un détecteur proportionnel multifils de grand intérêt avait été réalisé et utilisé par le groupe du professeur Alikhanov 1141. Des couches empilées de compteurs proportionnels étaient utilisées pour mesurer l'ionisation spécifique des particules. Ils ont montré qu'en dépit de la distribution de Landau, un traitement correct des pertes d'énergie dans chaque couche permettait d'obtenir une bonne résolution.

Ainsi 200 couches permettraient d'obtenir une réso- lution de 2 % en une seule mesure, par la méthode de la « moyenne logarithmique » suggérée par B. N. Moï- seiev. La construction de chaque couche est faite de fils de 0,I mm de molybdène, tendus sur un cadre rectangulaire entre deux feuilles d'aluminium. Chaque fil est alternativement au potentiel des feuilles et au potentiel d'accélération. La distance entre les fils étant de 6 mm, et celle entre les feuilles de 12 mm, on a une série de compteurs ayant une section carrée.

Une telle structure ne permet pas l'extension à des distances entre fils faibles par rapport aux distances entre les électrodes. 11 s'avère que le fil intermédiaire est inutile, ce qui facilite grandement cette extension.

Examinons en effet la structure des lignes équipoten-

tielles dans une chambre à fils constituée d'un plan de

fils distants de 3 mm, placé entre des plans situés à

7,5 mm. On voit que dans la région voisine des fils,

DÉTECTION DES PARTICULES AU MOYEN DES DÉCHARGES DANS LES GAZ

qui est la seule qui compte pour l'amplification, les équipotentielles sont des cylindres (Fig. 2).

Dans la région située dans le plan des fils, entre les deux fils, le gradient vers le fil est légèrement plus faible

FIG. 2. - Equipotentielles dans une chambre

fils

deux intervalles. Fils de diamètre 4 x

séparation 0,3 cm ; épaisseur totale 1,5 cm. Vingt unités de potentiel appliquées entre l'électrode plane externe et le fil. Mesures par méthode

analogique.

FIELD

DISTANCE FROM THE EXTERNAL ELECTROOE IN MM r 150

FIG. 3.

Potentiel et champ dans la configuration de la figure 2 dans un plan de symétrie contenant un fil.

que la moyenne, ce qui n'a d'effet que sur le temps de collection des électrons libérés dans cette région. La majeure partie du volume est soumise à un champ électrique constant. La figure 3 montre la répartition du champ dans un plan de symétrie passant par les fils. La situation est tout autre lorsque le plan des fils n'est pas placé entre deux électrodes, mais est vu par une seule électrode (Fig. 4).

FIG. 4. - Equipotentielles dans une chambre

fils avec un seul intervalle. Fils de diamètre 4

séparation 0,3 cm.

Selon le diamètre des fils, l'amplification gazeuse

peut dépendre de l'azimut d'arrivée des électrons

collectés. Une fraction des électrons n'est pas collectée

sur les fils, mais se trouve accélérée entre les fils. Cela

explique qu'un intervalle simple avec des fils présente

des défauts comme compteur proportionnel. La

majeure partie du volume est encore soumise à un

champ uniforme, ce qui explique qu'une telle structure

soit néanmoins favorable au fonctionnement en

chambres à étincelles. C'est, à ma connaissance, de

façon impropre que certains auteurs parlent du fonc-

tionnement de leur chambre à étincelles dans la zone

C 2 - 9 0

G. CHARPAK

proportionnelle. On peut faire fonctionner deux plans parallèles dans une zone proportionnelle. On arrive alors à amplifier les électrons les plus proches de la cathode jusqu'au maximum déterminé par la charge d'espace, c'est-à-dire - IO*, en choisissant les condi- tions de façon que l'avalanche se développe sur la longueur de l'intervalle entre les électrodes. L'ampli- fication variant de façon exponentielle avec la longueur de l'avalanche, seule est sensible une petite zone voisine de la cathode.

Avec des particules lentes, des propriétés intéres- santes de résolution en temps sont obtenues avec des compteurs à faces parallèles. Avec les particules rapides la chute d'efficacité due à la faible zone sensible les rend peu utilisables.

Si l'on accroît les tensions pour augmenter la zone sensible, il y a alors formation de streamers. C'est la zone dans laquelle travaillent les chambres à fils pulsées. Lorsqu'un fil conduit le courant provoqué par la décharge de 10 p F sous une tension de 2 kV, il est parcouru par 1,3 x 10'' x e. Pour une ioni- sation primaire de 40 électrons, le coefficient d'am- plification est au minimum de 3 x IO9. Et comme il est probable que seuls les électrons les plus proches de la cathode contribuent à la décharge, l'amplifica- tion est de 10" alors que le maximum jamais atteint dans un compteur proportionnel est de IO6, la plupart d'entre eux fonctionnant avec des gains inférieurs à 104. Au-delà de ces gains, il y a propagation Geiger le long du fil, et c'est seulement le fait que des impul- sions brèves sont appliquées qui rend cette propaga- tion impossible dans la plupart des chambres à fils.

Même si, pendant le bref intervalle de temps pendant lequel la haute tension est appliquée, il y a des phéno- mènes d'amplification au voisinage des fils, ils sont totalement masqués par l'amplification due au méca- nisme des streamers ou de l'étincelle.

Ayant éclairci ce point de terminologie, je voudrais décrire les propriétés des chambres proportionnelles à fils et les méthodes relativement nouvelles d'extraction simple des données, telles qu'elles ont été mises au point par notre groupe (*) au CERN.

5.1 CONSTRUCTION

- Dans les cham- bres proportionnelles cylindriques, il est important d'utiliser des tubes de garde pour le passage des fils à

(*)

T. Bressani, J. Favier, C . ZupanBS, G. Charpak, avec la collaboration technique de J. Bouclier, G . Millot et J. Fillot. Le groupe de M. Muratori a mis au point de nombreux prototypes et les techniques de fabrication d'éléments de grande surface. La réalisation par Amato d'un hodoscope pour les faisceaux du PS a permis un progrès substantiel dans la mise au point des cham- bres.

travers les isolants. On obtient simplement le même résultat, dans une chambre à fils, en ayant une élec- trode placée près du fil (à 1 mm par exemple, pour un intervalle de 8 mm), de chaque côté du fil, et débor- dant légèrement dans le volume utile (Fig. 5). Cette électrode de garde peut être placée au potentiel même du fil. Elle absorbe alors tous les claquages qui se produisent le long du diélectrique. Nous avons observé qu'elle joue encore très bien ce rôle, même si elle est placée à un potentiel intermédiaire entre celui du fil et l'électrode externe. Ceci s'avère très utile lorsqu'on atteint des distances entre les fils petites (- 1 mm) et qu'il est nécessaire d'augmenter la HT au maximum possible pour avoir une amplification gazeuse suffi- sante.

FIG. 5.

Quelques détails de construction d'une chambre proportionnelle. Les plaques de garde sont mises au même poten- tiel que le fil, ou bien à un potentiel intermédiaire entre ceux du

fil et de la plaque si les fils sont très rapprochés.

Je voudrais seulement ici résumer les propriétés de ces chambres qui ont déjà fait en grande partie l'objet de publications [15], [16].

Dans une zone de tension étendue, les chambres fonctionnent en régime proportionnel. La résolution obtenue à 5,9 keV est meilleure que 17 %, avec des amplificateurs très simples et des gaz non purifiés, tandis que la meilleure résolution possible [17] est de 12 "/, à 14 "/,. Avec des particules ionisantes, les distri- butions obtenues sont celles attendues de -la théorie de Landau.

Dans un mélange à 95 % d'argon et 5 % de propane,

des fils de 4.10-2 cm de diamètre, distants de 3 mm,

donnent une plage de fonctionnement comprise entre

2100 V et 3000 V. Les clichés de la figure 6 montrent

la forme et la hauteur des impulsions recueillies direc-

tement sur le fil, à 2900 V, par sonde Tektronix,

d'impédance 10 MC2 et de capacité 4 pF. On voit que

les impulsions atteignent 0,3 V pour 55Fe, ce qui

DÉTECTION DES PARTICULES AU MOYEN DES DÉCHARGES DANS LES GAZ C 2 - 9 1 correspond à une amplification supérieure à IO5 si

nous admettons une capacité fil-masse de quelques picofarads.

La variation de gain en fonction de la tension correspond exactement à la loi attendue par la théorie des compteurs cylindriques [15].

Le temps de montée de l'impulsion, déterminé essentiellement par le mouvement des ions positifs au voisinage du fil, est visible sur les clichés de la figure 6. Le maximum est atteint dans des temps de l'ordre de plusieurs microsecondes, mais peut dépasser plusieurs millivolts en quelques dizaines de nano- secondes. Ce fonctionnement à la limite du plateau n'est pas recommandable, car des claquages se pro- duisent parfois. On peut voir, sur les figures 7 et 8, les spectres d'impulsions produits par des faisceaux,

FIG. 7.

Spectre d'impulsions produit sur un fil par des rayons X de 6 keV. Argon-propane.

FIG. 6. -Impulsions recueillies directement sur un fil de la chambre. Sonde Tektronix 10

p F ; 3 mm entre fils.

Tension 2 900 V. Argon-propane (95 %, 5 %). Echelle

a) Horiz.

5 ps/cm

vert. 0,l V/cm. 6 ) Horiz. 0,2 ps/cm

vert. 0,05 V/cm.

c)

Horiz. 0,05 &cm

vert. 0,05 V/cm.

100-

Protons of 370McVIc

I , , I I , I ,

O 50 100

PULSE

FIG. 8. -Spectre d'impulsions produit sur un fil par un faisceau de pions et de protons. Faisceau de 370 MeV/c produit

au S. C. du CERN.

collimatés sur le fil, de rayons X de 6 keV et de pions et protons de 370 MeV/c.

Le temps de résolution du compteur est déterminé par les fluctuations des temps d'arrivée des premiers électrons dans le voisinage du fil. Il dépend de l'élec- tronique, de la nature du gaz, de la tension de fonc- tionnement.

La figure 9 montre le temps de résolution obtenu

avec des fils distants de 2 mm, de diamètre

C 2 - 9 2 G . CHARPAK

un amplificateur très simple à 5 transistors, de gain

2000

1000, réalisé par G. Amato, déclenchant un discri- minateur, sans correction aucune de la variation introduite par le spectre étendu des impulsions. Une

y> W

J

électronique plus élaborée permettrait certainement un

2

gain appréciable de résolution.

a

2 Pour le moment, le taux de comptage par fil est

W

D

limité uniquement par l'électronique associée. Des

w

CL

taux de comptage de 106/s par fil devraient être possi-

m I

bles sans distorsion notable. Avec les amplificateurs

g

simples que nous utilisons, nous avons atteint

3 x 1051s.

L'interaction entre les fils est peu importante. On observe une faible impulsion de sens opposé sur le fil immédiatement voisin du fil actif. Si l'on déplace une source collimatée perpendiculairement au fil, on observe que la détection est localisée sur un fil, à la précision près du faisceau (Fig. 10). Si une source très intense (107/s) est placée contre l'un des fils, il

FIG. 9.

Fluctuations du délai entre I'apparition de I'impul- sion sur le fil et le passage dans la chambre. Distance entre fils

2 mm. Argon-pentane. 3300 V. Source : Sr-Y.

4 x 1OP2 mm, avec des rayons P irradiant toute la chambre, avec un mélange argon-pentane, à 3300 V.

On voit que, dans un intervalle de 120 ns, toutes les impulsions sont recueillies. On a utilisé pour cela

FIG.

de détection en fonction de la distance

trajectoire-fil. Faisceau de pions de 370 MeV/c, de largeur à mi-

hauteur 0,6 mm. Diamètre du fil 4

FIG. 11.

Délai dans l'apparition de l'impulsion en fonction HT

- , distance entre fils 3 mm. -

-, dis- de la distance trajectoire-fil. Argon-pentane. 3 mm entre fils.

tance entre fils 2 mm. 2940 V. Faisceau de 1 mm dirigé : a) vers le fil ; b)

DÉTECTION DES PARTICULES AU MOYEN DES DÉCHARGES DANS LES GAZ C 2 - 9 3

n'y a aucune perturbation visible dans la réponse des autres fils.

Les chambres sont peu sensibles à un champ magné- tique. Dans un champ de IO4 G parallèle au fil, avec un faisceau collimaté de rayons X de 6 keV, on observe un déplacement inférieur à 0,2 mm de la distribution dans la réponse spatiale de la chambre.

Avec une source collimatée plus finement que la distance entre les fils, on observe que le temps de détection de l'impulsion dépend de la position du faisceau entre les fils, ce qui donne la possibilité de mesures de grande précision entre les fils (Fig. I l ) . Nous avons pensé qu'une étude plus approfondie des conditions d'exploitation de ces chambres s'im- posait. Nous nous sommes avancés dans plusieurs directions qui, selon moi, justifient l'investissement d'efforts de nombreux autres groupes de recherche pour amener cette technique à maturité. Par exemple, nous avons réalisé une chambre qui détecte la posi- tion d'une trace en mesurant le temps de transit des électrons dans un intervalle soumis à un champ uniforme (Fig. 12). Les électrons libérés sont collectés par une gEille transparente à 90 %. Au-delà de cette grille se trouve le compteur proportionnel. Une tension de 200 V est appliquée sur les 3 cm de l'espace dans lequel est mesuré le temps de diffusion. La vitesse de diffusion est de 1 cm1400 ns. Avec trois de ces chambres accolées, nous avons mesuré la position

Faisceau Fils de champ

p e r m e t t a n t de

- _. : 1

I

.J grille transparente mesure du tarrps

enceinte avec

i'impulsion

--

i_i proportionelle

FIG. 12. - Schéma de principe d'un détecteur de position utilisant le temps de diffusion des électrons dans un champ

constant.

de particdes a. Nous avons mesuré, avec des conver- tisseurs temps-amplitude, les différences des temps d'arrivée de l'impulsion sur deux fils consécutifs, t,

t, et t, - t,. La fluctuation des mesures de T

[(t, + t3)/2] - t2 indique dans quelle mesure les coordonnées de la trajectoire s'écartent d'une droite, soit en raison de la diffusion multiple, soit en raison des autres causes de fluctuations. La fluctuation observée sur Test de 5 ns (largeur totale à mi-hauteur),

correspondant à 120 microns, c'est-à-dire une valeur qui est en grande partie expliquée par la diffusion multiple des particules a dans le gaz. 11 est donc permis de conclure que des perspectives de précisions plus grandes sont ouvertes par cette méthode.

La réalisation d'amplificateurs suffisamment sim- ples pour pouvoir être utilisés sur chaque fil dans des systèmes de grande surface est un des problèmes- clés dans l'utilisation des chambres. Plusieurs groupes effectuent des recherches sur cette question. Celui de G. Amato [18] a obtenu des résultats intéressants : il a réalisé une chambre pour l'étude des faisceaux du PS. Sur chaque fil, un amplificateur valant 14 F amenait les impulsions au niveau requis par des échelles. La figure 13 montre la distribution obtenue avec une seule impulsion du synchrotron. Un faisceau de 3 x IO5 particules traverse la chambre pendant 100 ms. Toutes les particules sont comptées. On voit que c'est l'instrument idéal pour ce genre d'études et qu'il peut être placé en permanence sur un faisceau, puisqu'il contient peu de matière.

FIG. 13. -Profils x et y d'un faisceau du Synchrotron du CERN. a) Division horiz.

cm. b) Division vert.

2 500 coups.

Exposition pendant une impulsion de machine de 100 ms (Amato et Petrucci).

II est extrêmement probable que le prix des ampli- ficateurs nécessaires sera réduit par les progrès de l'électronique. Toutefois, pour des systèmes compor- tant IO4 à IO5 fils, c'est un problème sérieux. Néan- moins, compte tenu du prix qui sera nécessaire pour traiter ce flot d'informations disponibles, je ne suis pas sûr que le prix des chambres ou des amplificateurs sera, relativement, d'une telle importance. Il nous a semblé intéressant de rechercher des méthodes ana- logiques pour extraire de façon simple les impulsions des chambres proportionnelles, et nous en avons trouvé un certain nombre, par simple analogie avec des études similaires effectuées avec les chambres à

étincelles.

C 2 - 9 4 G. CHARPAK 5.2 LA

TANTES

DISTRIBUCES. - Si l'on construit une élec- trode de chambre à étincelles comme une ligne à retard [19], on peut déterminer la position d'une étincelle par la mesure du délai mis par l'impulsion pour arriver aux extrémités de l'électrode. On peut aussi introduire un retard entre les fils d'une chambre par un câble à retard. La haute impédance des fils rendrait nécessaire une étape de changement d'im- pédance qui serait relativement simple.

.

On peut éliminer la nécessité d'une amplification sur chaque fil en associant les fils entre eux comme les éléments d'une ligne à retard. Ceci peut être réalisé

Il suffit d'amplifier les impulsions à l'extrémité de la ligne et de mesurer le temps qui sépare l'arrivée des impulsions à chaque extrémité pour connaître le fil qui est à l'origine de l'impulsion.

En raison de la capacité de la chambre il est néces- saire d'utiliser des amplificateurs de charge. L'atté- nuation des impulsions le long d'une ligne est un obstacle à la réalisation de grands systèmes décodés par cette méthode.

La figure 15 montre la distribution des retards lorsqu'une source irradie successivement les 13 fils d'une chambre décodée par la première méthode.

Pulse B

7

Kichsorter

(b)

FIIG. 14. - Principe, de la méthode de l'électrode

constantes distribuées : a) Self-inductances entre les fils

b) Fils en série.

FIG. 15. - Délai entre les temps d'arrivée aux deux extré- mités de I'électrode. Distance entre pics 10 ns. L

pH.

Une source de SSFe irradie successivement 13 fils.

Par la seconde méthode, nous avons séparé les 64 fils, de 25 cm de longueur, d'un détecteur placé dans un spectromètre à Orsay, les fils de 20 pm étant distants de 2 mm. Avec des fils de 100 ym, distants de 5 mm, on pourrait décoder ainsi une longueur de 1 m en raison de l'atténuation plus faible.

5.3 LA

LA

- Si les extrémités de chaque fil sont séparées par des résistances (Fig. 16), on obtient, aux extrémités de

FIG. 16. - Principe de la méthode

de la division des impulsions.

DÉTECTION DES PARTICULES A U MOYEN DES DÉCHARGES DANS LES GAZ C 2 -

l'atténuateur constitué par cette ligne de résistances, deux impulsions : A et B. La hauteur de chacune de ces impulsions est une fonction du fil qui a injecté l'impulsion dans l'atténuateur, et elle est proportion- nelle à la hauteur de l'impulsion injectée. Si l'on effectue le rapport entre les hauteurs des impulsions A et B, on obtient une information sur la position, indépendante de la perte d'énergie initiale.

Avec des résistances constantes le long de la ligne, on a une réponse exponentielle en fonction de la position. La figure 17 illustre les résultats obtenus

recueille un signal qui bascule les tores de ferrite.

Plusieurs fils, groupés de façon différente, passent par le trou du premier et du deuxième tore des trans- formateurs. On a ainsi un système de codage. On peut par exemple adopter le système décimal et grouper les fils correspondant aux mêmes unités, aux mêmes dizaines, aux mêmes centaines. Avec les fils propor- tionnels, une telle méthode est impossible, car les signaux sont trop faibles. Si l'on utilise des transfor- mateurs, il faut enrouler les fils autour des tores. Le couplage entre fils devient tel que ce système est

~

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Log AIE

FIG.

Rapport

des impulsions arrivant aux deux extrémités de i'électrode. Distribution de log

pour un groupe de

fils,

-

^{R =}

kQ, fils de

cm séparés par

mm. Une source de SSFe irradie successivement

les

fils.

avec des résistances de 30 f2 et des fils de 40 cm de longueur, lorsqu'on irradie successivement les fils d'une chambre, séparés par une distance de 3 mm.

Il faut noter que certains auteurs [20] avaient obtenu la position des avalanches le long du fil d'un compteur proportionnel cylindrique, ayant une résistance de 400 Q, en mesurant le rapport entre les impulsions arrivant aux extrémités. Ils sont arrivés à une préci- sion de l'ordre de 0,l cm sur une longueur de 30 cm.

On peut, peut-être, concevoir que la combinaison des deux méthodes permette de mesurer les deux coor- données simultanément. La précision que l'on peut obtenir par une telle méthode dépend uniquement du rapport signal-bruit après l'amplification.

5.4 SYSTÈME

- 1. Pizer [21] avait suggéré pour les chambres à fils une méthode de codage qui permet de réduire le nombre de tores nécessaires à la lecture. Chaque fil passe successive- ment dans le trou central d'un tore de substance ferromagnétique dont l'enroulement secondaire

équivalent à une connection directe. Nous avons résolu le problème par la méthode illustrée par la figure 18.

Group 1 1 2 3 4 ~ A u p n

order in theûroup

FIG.

- Principe de la méthode du codage. Les impulsions de chaque fil sont recueillies dans deux canaux différents. L'utili- sation d'amplificateurs sensibles

une seule polarité élimine les

couplages parasites.

C 2 - 9 6

CHARPAK Les impulsions des fils passent par le primaire d'un

transformateur à ferrite avant d'être envoyées dans un amplificateur commun à tous les fils correspondant à un rang défini dans un groupe. Les secondaires des transformateurs, qui se rapportent à un groupe donné, sont connectés ensemble. Il en résulte que les signaux parasites ont un signe opposé à celui du signal direct.

En utilisant des amplificateurs sensibles à un seul signe de l'impulsion, on élimine ces signaux parasites.

On aurait certes de grandes difficultés à réaliser le codage de milliers de fils. En séparant une grande chambre en éléments suffisamment petits pour que la lecture des fils (effectuée avec un système commun à tous ces éléments) puisse être faite par l'une des méthodes analogiques décrites plus haut, il nous a semblé possible d'assurer le marquage de l'élément qui a détecté la particule en utilisant le codage par trans- formateurs. Une telle méthode n'est évidemment applicable que si la probabilité d'avoir plusieurs particules traversant la chambre pendant le temps de lecture est faible.

6. Conclusioii. - Ces résultats quelque peu préli- minaires me semblent indiquer que l'exploitation des informations provenant des chambres proportionnelles peut être envisagée de nombreuses manières, qui n'apparaissent pas plus compliquées que celles qui sont utilisées avec les chambres à étincelles.

Leur temps de résolution, qui devrait être rapide- ment un ordre de grandeur meilleur que celui des chambres à étincelles, les rapproche des hodoscopes à scintillation, avec l'avantage d'un coût beaucoup plus faible pour la réalisation de grandes surfaces.

La combinaison avec des radiateurs appropriés offre de grandes possibilités dans la détection des rayons y et des neutrons dans les divers domaines d'énergie.

Le fait qu'ils ne soient pas pulsés ouvre de grandes possibilités d'utilisation dans le domaine de la détec- tion de particules de basses énergies.

Les chambres proportionnelles viennent s'ajouter à la large panoplie de détecteurs de particules utilisant les propriétés d'amplification des gaz sous l'effet des champs électriques. Les travaux soumis à ce congrès montrent qu'en quelques années, de nombreuses méthodes ont été rendues opérationnelles. Même si certaines d'entre elles s'avèrent d'un intérêt plus général que d'autres, toutes ces recherches ont été

fructueuses, car il apparaît que, dans certaines condi- tions spécifiques, certaines méthodes sont les seules qui puissent être utilisées.

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Imprimé en France.

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