DÉTECTION ET IDENTIFICATION DES PARTICULES PAR EFFET CERENKOV DANS LES AÉROGELS DE SILICE

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DÉTECTION ET IDENTIFICATION DES

PARTICULES PAR EFFET CERENKOV DANS LES

AÉROGELS DE SILICE

J. Engelmann, M. Cantin

To cite this version:

JOURNAL DE PHYSIQUE Colloque C3, supplément au n° 6, Tome 39, Juin 1978, page C3-57

DÉTECTION ET IDENTIFICATION DES PARTICULES PAR EFFET

CERENKOV DANS LES AÉROGELS DE SILICE

J. J. E N G E L M A N N e t M . C A N T I N

S e r v i c e d ' É l e c t r o n i q u e P h y s i q u e , C e n t r e d ' É t u d e s N u c l é a i r e s d e S a c l a y , B . P . 2 , 91190 Gif sur Y v e t t e , F r a n c e

Résumé. — Les détecteurs Cerenkov sont largement utilisés en physique des hautes énergies et en astrophysique nucléaire pour identifier la charge et mesurer la vitesse des particules qui les traversent. Une bonne résolution en vitesse n'est obtenue qu'au voisinage du seuil Cerenkov, qui dépend directement de l'indice de réfraction du matériau radiateur. D'où l'intérêt de disposer de matériaux d'indices variés. L'aérogel de silice permet de couvrir une gamme d'indices comprise entre 1,015 et 1,2, domaine intermédiaire entre les indices des gaz et des liquides.

Les échantillons les plus souvent réalisés jusqu'ici sont des blocs hexagonaux d'indice de réfraction 1,06 et de masse spécifique 0,24 g/cm3. Des blocs d'un litre de volume ont été assemblés pour former des mosaïques et constituer ainsi des radiateurs Cerenkov de grande dimension.

Pour des indices de réfraction plus faibles, 1,015 par exemple, le matériau devient trop fragile et on a été amené à utiliser un sable d'aérogel constitué de grains calibrés.

Des radiateurs des deux types-blocs et sable sont utilisés dans l'expérience franco-danoise en préparation pour le satellite HEAO-C de la NASA, qui doit être lancé en juillet 1979.

Abstract. — Cerenkov counters are largely used in high energy physics and in nuclear astrophysics to identify the charge of high energy particles and to measure their velocity. Good velocity resolution is obtained only near the Cerenkov threshold, which is directly dependent on the refractive index of the radiator. It is therefore very important to dispose of materials of various refractive indices. The silica aerogel allows to cover a range of indices between 1.015 and

1.2 which is intermediate between the indices given by gas and liquids.

The samples most often built until now are hexagonal blocks of 1.06 refractive index and 0.24 g/cm3 density. Blocks of one liter in volume have been assembled to form a mosaic of large dimension.

For lower refractive indices, 1.015 for instance, the material becomes too brittle. So we have been led to use an aerogel sand made of aerogel grains of controlled granulometry.

Radiators of both types -blocks and sand are used in the franco-danish experiment to be launched aboard the NASA satellite HEAO-C in July 1979.

1. Introduction. — L e s d é t e c t e u r s C e r e n k o v s o n t très utilisés en p h y s i q u e d e s h a u t e s énergies e t e n a s t r o p h y s i q u e nucléaire p o u r d é t e r m i n e r la v i t e s s e , e t parfois la c h a r g e d e s p a r t i c u l e s .

Ces d é t e c t e u r s s o n t c o n s t i t u é s d ' u n radiateur, milieu t r a n s p a r e n t d a n s lequel e s t é m i s e la radiation C e r e n k o v lors du p a s s a g e d e la p a r t i c u l e , d ' u n collecteur d e lumière et d ' u n e n s e m b l e d e p h o t o m u l -tiplicateurs a s s o c i é s qui t r a n s f o r m e n t le signal lumi-n e u x e lumi-n siglumi-nal é l e c t r i q u e . P o u r u n m a t é r i a u d ' i n d i c e n, le n o m b r e d e p h o t o -é l e c t r o n s p r o d u i t s p a r cm d e p a r c o u r s d ' u n e parti-cule d e c h a r g e Z e t v i t e s s e v e s t [1] : 1 v N = 0 si /3 < — a v e c /3 = — n c ( 1 \ 1 ( 1 ) N = KZ2h--^—2) si / 3 > -L a l u m i è r e C e r e n k o v e s t é m i s e le long d e la trajectoire d e la particule suivant u n c ô n e d e 1/2 angle au s o m m e t 6 tel q u e : c o s 0 = —— /3n L ' é q u a t i o n (1) p e u t d o n c s'écrire e n c o r e : N=KZ2 s i n20 . (2) L e t y p e d e m o n t a g e utilisé d é p e n d d e l'applica-tion : si l ' o n n ' a p a s b e s o i n d ' i n f o r m a t i o n s u r la direction d e p r o p a g a t i o n d e la p a r t i c u l e e t si l'on désire a v o i r u n e b o n n e uniformité de r é p o n s e , le p l u s c o m m o d e e s t d e p l a c e r le r a d i a t e u r d a n s u n e b o î t e à diffusion : c'est-à-dire u n e b o î t e c o u v e r t e i n t é r i e u r e m e n t d ' u n m a t é r i a u diffusant tel q u e du papier millipore. P o u r u n e telle b o î t e d o n t ~ 15 % d e la s u r f a c e e s t o c c u p é e p a r d e s p h o t o c a t h o d e s d e p h o t o m u l t i p l i c a t e u r s , o n obtient p o u r K u n e valeur d e ~ 50.

Suivant les c a s , o n utilise soit la p r o p r i é t é d e ce t y p e d e d é t e c t e u r d e d o n n e r u n seuil de v i t e s s e bien défini, soit celle d e fournir u n e r é p o n s e qui v a r i e r a p i d e m e n t a v e c la v i t e s s e d e la p a r t i c u l e .

C e c o m p o r t e m e n t e s t illustré figure 1 p o u r u n r a d i a t e u r d e q u a r t z d ' u n c m d ' é p a i s s e u r (n = 1,47) t r a v e r s é p a r d e s p r o t o n s e t d e s particules a l p h a . L e seuil en m o m e n t est d e 870 M e V / c / n u c l é o n , celui en énergie d e 340 M e V / n u c l é o n . L o r s q u e la vitesse

J. J. ENGELMANN E T M. CANTIN

photo en

eleetrons

NI---.---

P en MeV/c/nuc

FIG. 1. - Réponse d'un Cerenkov à radiateur de quartz de 1 cm d'épaisseur, traversé par des protons et des particules alpha. Les courbes en trait gras donnent les nombres de photoélectrons émis en fonction du moment et de l'énergie des particules. La courbe en trait mince donne la résolution en moment calculée pour des

protons.

relative de la particule tend vers 1, on atteint une saturation : le signal obtenu pour des protons corres- pond à

-

30 photoélectrons. On voit qu'à grande vitesse, la réponse ne dépend plus du moment d e la particule, mais seulement de sa charge. Sur la figure est portée la résolution en moment pour des protons. Très faible près du seuil, elle se dégrade rapidement pour atteindre

-

50 % à 2,5 fois le seuil en moment.

Le domaine de moment (ou d'énergie) dans lequel une mesure précise peut être effectuée est donc très limité et dépend directement de l'indice du radiateur. Aussi pour couvrir un domaine d'énergie particulier est-il important de pouvoir choisir un radiateur d'indice approprié. Or, les matériaux transparents dont on dispose sont, soit les solides et les liquides avec un indice minimum de 1,24, soit les gaz avec un indice maximum d e l'ordre de 1,06 (cette valeur étant atteinte pour du gaz carbonique comprimé à 70 kg/cm2).

Pour combler ce vide, une première tentative fut faite en 1972 par Linney et Peters [2] avec des poudres d e silice comprimées. Leur idée était qu'un matériau constitué de grains de silice d'un diamètre très inférieur à la longueur d'onde de la lumière, dispersés dans l'air apparaîtrait comme un matériau d'indice intermédiaire entre celui des grains d e silice et celui de l'air. L a validité de cette idée a pu être contrôlée expérimentalement [3].

A titre d'exemple, on a réussi, par cette méthode, à fabriquer un radiateur de 50 cm de diamètre, de 3 cm d'épaisseur, et d'indice 1 ,I l . Ce disque a été obtenu e n comprimant à 250 kg/cm2 une poudre de silice dont les grains avaient un diamètre moyen de 100 A.

Cependant un tel matériau présente une mauvaise transparence optique. D'autre part, il ne semble pas qu'on puisse facilement réaliser, par cette méthode, des radiateurs d'indice inférieur à 1,l.

Pour obtenir un solide poreux plus léger et plus

transparent, Cantin et al. [4] et [5] ont pensé à faire appel à des aérogels d e silice. Ces matériaux qui, à l'origine, avaient été étudiés dans un tout autre but [6], peuvent être réalisés avec une gamme d'indices entre 1 ,O1 et 1 ,O6 et, après frittage enfre 1 ,O6 et 1,2.

Sur la figure 2, on a porté le seuil en moment et en énergie pour des protons en fonction de l'indice du radiateur. On voit les places respectives qu'occu- pent les différents matériaux radiateurs dans l'obtention de ces seuils. La courbe en sin2 Bpermet de calculer à partir de l'équation (2), le nombre de photoélectrons que l'on peut espérer obtenir à la saturation.

O !rdD 16'

1

1 n -

AEROGEL seuil

Eo en W h 1,001 1,Dt 1.1 2 .n

FIG. 2. - Seuil en moment et en énergie pour des protons en fonction de i'indice du radiateur.

2. Préparation des aérogels de silice.

-

Le maté- riau de départ est un mélange d'orthosilicate de méthyle et de méthanol. Par hydrolyse en présence d'ammoniac, on produit de l'acide orthosilicique (Fig. 3). Celui-ci, par polycondensation, en quelques

Indice de r+fraction

sinag

Po en &VI, ln 20-

% en volume de méthanol dans k mélange

F ~ G . 3.

-

Variation de la densité et de l'indice de réfraction des aérogels obtenus en fonction des proportions du mélange initial

d'orthosilicate de méthyle et de méthanol.

Si(OCH,),

+

4 HzO + Si(OI-0,

+

4 CHsOH

n Si(Ow4 + n (Si03

+

2 n HzO

I I I I

AÉROGELS DE SILICE POUR COMPTEURS CERENKOV C3-59 heures, donne l'alcogel. L'aérogel est obtenu par

élimination du méthanol qui imprègne l'alcogel. Si cette élimination se faisait simplement par chauffage à la pression atmosphérique, ou sous vide, le maté- riau s'effondrerait sur lui-même, du fait des forces dues à la tension superficielle du solvant. On obtien- drait ainsi un xérogel qui se présente sous forme de grains d e quelques millimètres de diamètre. Pour éviter l'action de la tension superficielle, il faut éliminer les interfaces liquide-gaz. Ceci peut être obtenu en évacuant le solvant dans des conditions hypercritiques, ainsi que l'avait suggéré, pour la première fois, Kistler 171.

Pratiquement, l'alcogel est placé avec un excès de méthanol dans un autoclave. La température est ensuite montée linéairement jusque 260". La pres- sion est alors de 180 à 200 kg/cm2, suivant le degré de remplissage de l'autoclave. Puis, le méthanol est évacué lentement, en 8 heures environ.

La densité et l'indice de réfraction obtenus dépen- dent de la proportion de méthanol dans le mélange initial. On peut aussi obtenir des échantillons de densité entre 0,04 et 0,3, correspondant à des indices de réfraction entre 1 ,O1 et 1,06.

Avec l'autoclave dont nous disposons, les blocs réalisés ont pour dimensions maximales : diamètre de 18 cm et épaisseur de 6 cm. Pour couvrir des dimensions plus grandes, nous réalisons des mosaï- ques à partir de blocs hexagonaux.

3. Propriétés physiques.

1 ) Structure microscopique.

Au microscope électronique, on trouve un diamè- tre moyen de grains de

-

30

A

environ, mais avec une grande marge d'erreur. Deux méthodes indirec- tes permettent d'obtenir des valeurs plus précises de ce diamètre moyen.

a ) E n mesurant la surface spécifique par adsorp-

tion d'un gaz à basse température.

Cette surface spécifique varie d e 200 à 700 m2/g, suivant les échantillons [SI. Elle est inversement proportionnelle au diamètre des grains. Les diamè- tres de grains correspondant à ces surfaces spécifi- ques vont de 140 à 40A.

b) En mesurant la transmission de la lumière dans le matériau en fonction de la longueur d'onde A , on observe que dans le visible et l'ultraviolet, le coeffi- cient de transmission est en K/A4. Cela est dû à la diffusion Rayleigh, développée pour expliquer le bleu du ciel. La théorie [9] permet de relier le coefficient K au diamètre des grains. On trouve ainsi des diamètres d e 60 à 100 suivant les échantillons.

2) Mesure de l'indice de réfraction.

a ) Par méthode optique.

On applique la méthode du minimum de déviation en envoyant un faisceau laser émettant à 6 328 A sur

un prisme de l'échantillon. On a intérêt à faire cette mesure dans le rouge, car la lumière est alors relativement peu diffusée.

b ) Avec des particules.

D'après l'équation (l), le nombre de photoélec- trons N émis est une fonction linéaire de 1/P2. Donc, en faisant varier la vitesse des particules et en portant les valeurs N obtenues en fonction de 1/B2, on obtient une droite dont l'abscisse, à l'origine, donne la valeur de n2 [3]. Expérimentalement, on trouve un indice 1 % plus élevé par cette méthode que par la méthode optique. Une faible partie de cette différence (0,15 %) est due à la variation d'indice du matériau avec la longueur d'onde : le maximum d'émission Cerenkov, compte tenu de la courbe d'efficacité quantique des photomultiplica- teurs, se situe dans le bleu vers 4 200

A,

alors que la mesure optique a été faite dans le rouge à 6 328

A.

Une autre partie de la différence est probablement due à l'effet des rayohs 6 produits par la particule le long de s a trajectoire : au voisinage du seuil, ces rayons S dépendent peu de l'énergie et ont donc tendance à déplacer légèrement la droite, parallèle- ment à elle-même, vers les plus hautes valeurs de N. L'intersection avec l'axe des

l / p 2

se fait donc à une abscisse un peu plus élevée qu'en l'absence de rayons S. Il est à noter que leur contribution dépend de l'épaisseur du radiateur et de l'épaisseur de matière placée au-dessus de ce radiateur. Aussi, une estimation de l'effet des rayons S ne serait valable que pour une configuration particulière.

3) Mesure des coefficients d'absorption et de diffu-

sion.

Le coefficient d'absorption ~ r , peut être obtenu

par des mesures relatives d'intensité I/Io d'une source lumineuse en présence e t en l'absence de l'échantillon, la mesure étant faite dans une boîte diffusante. On a : I/Io = e - F ~ ~ .

La longueur d'absorption est : LA = l/pA. Pour un aérogel d'indice 1,06, on trouve à

A = 5 200

A

une longueur d'absorption qui varie de 20 à 50 cm suivant les échantillons.

Si on a un faisceau collimaté traversant un échan- tillon, une partie des rayons disparaissent du fais- ceau, soit du fait de l'absorption, soit du fait d e la diffusion. Le coefficient de diffusion p~ est donc égal à - pA où PT est le coefficient de transmis-

sion mesuré en faisceau collimaté [IO]. La longueur de diffusion LD = l/pD déduite de ces mesures est de 3 cm environ.

Mais en fait, si on répète ces mesures vers 4 200

A,

qui correspond au maximum d'émission Cerenkov, on trouve des valeurs d e LA = 10 cm et

LD = 1 cm.

Donc, si on utilise un radiateur d'aérogel de quelques cm d'épaisseur, la diffusion est dominante et on perd l'information sur la direction d e propaga- tion des particules.

C3-60 J. J . ENGELMANN E T M. CANTIN

4) Nombre de photoélectrons produits.

On a l'habitude de caractériser un détecteur Cerenkov par le nombre de photoélectrons issus des photocathodes des photomultiplicateurs associés lorsque le radiateur est traversé par des particules relativistes de charge unité. Le rendement de conversion des photons émis par le radiateur en photoélectrons dépend donc des qualités de la boîte à diffusion et du rendement quantique des photomul- tiplicateurs associés. A titre d'exemple, pour un aérogel de 5 cm d'épaisseur et d'indice 1,06, le nombre de photoélectrons obtenu était de 15.

4. Nouveaux développements. - Pour les indices très faibles, de 1 ,O1 à 1,025, les blocs d'aérogel n'ont plus une tenue mécanique suffisante. Aussi avons- nous été amenés à fabriquer du sable d'aérogel. Nous obtenons ce matériau en broyant et tamisant l'aérogel sortant de l'autoclave, pour sélectionner des grains d'une granulométrie déterminée.

Ces grains sont ensuite versés dans la boîte à diffusion et le radiateur ainsi constitué est maintenu en place par une feuille de mylar.

Suivant l'application, il y a un diamètre optimum des grains à choisir : en effet, la longueur d'absorpt tion de la lumière décroît lorsque le diamètre des grains décroît (Fig. 4), ce qui est défavorable ; par contre, les fluctuations de parcours des particules diminuent lorsque le diamètre des grains décroît. Le paramètre à considérer est donc ici le rapport du rayon r des grains, supposés sphériques, à l'épais- seur e du radiateur. Une étude théorique nous donne pour la fluctuation de parcours :

où f est le coefficient de foisonnement, c'est-à-dire le rapport de la densité du sable à la densité de blocs de même indice.

FIG. 4.

-

Courbes expérimentales donnant la variation de la

longueur d'absorption de la lumière en fonction du diamètre des grains de sable d'aérogel.

Une vérification expérimentale a été effectuée en mesurant la fluctuation de perte d'énergie d'un faisceau de protons traversant un sable d'aérogel d'épaisseur connue. Le coefficient obtenu ainsi était de 0,5 au lieu de 0,41 dans l'équation (3). Pratiquement, le coefficient l/f = 1,5 et donc :

A titre d'exemple, pour un radiateur de 6 cm d'épaisseur, constitué de grains de 1,2 mm de dia- mètre, les fluctuations de parcours sont de 5 %. Le nombre de photons moyens émis sera le même que Si le parcours de la particule avait eu lieu dans un bloc d'épaisseur ef, c'est-à-dire, dans l'exemple ci-des- sus, de 4 cm.

5. Applications. 1) En physique des hautes éner-

gies.

Un problème que l'on a fréquemment à résoudre auprès des accélérateurs est de séparer des particu- les de même moment.

Sur la figure 5, on a porté le seuil en moment en fonction de l'indice du matériau radiateur pour trois sortes de particules de charge unité : mésons v,

mésons K et protons. On voit que si l'on a, par exemple, des particules de moment 1 GeV/c, un Cerenkov d'aérogel d'indice 1 ,O6 sera déclenché par les mésons r e t pas par les mésons K et les protons. Ces deux dernières sortes de particules pourront être séparées par une mesure complémentaire de temps de vol.

2 ) En astrophysique nucléaire.

Pour étudier la composition en charge et la compo- sition isotopique des particules cosmiques, plusieurs

I I

. ;

1 , I I I

I

m 4 10-3

1

1 0 - ~ 10-' 1 "-1

r

l

FIG. 5. - Seuil en moment en fonction de l'indice du radia-

AÉROGELS DE SILICE POUR COMPTEURS CERENKOV C3-61 laboratoires ont construit des expériences comple-

xes comportant des détecteurs Cerenkov de diffé- rents indices associés à des hodoscopes pour recons- truire la trajectoire des particules. En particulier, des expériences franco-danoises ont été lancées, à plusieurs reprises, en ballon stratosphérique. Ces expériences, construites dans le cadre d'une collabo- ration entre Saclay et le Danish Space Research Institute de Copenhague servent elles-mêmes de préparation à une importante expérience qui doit prendre place à bord du satellite HEAO-C de la NASA, dont le lancement est prévu pour Juillet

1979 [Il].

Cette expérience en satellite comporte cinq compteurs Cerenkov de grande dimension associés à

un hodoscope de 4 nappes x-Y de tubes à décharge. _{FI^. 7. - Mosaïque d e blocs d'aérogel e n place d a n s sa boîte à} Chaque compteur est constitué d'une boîte à diffu- diffusion.

sion de 6 0 cm de diamètre et 16 cm d'épaisseur, associée à 12 photomultiplicateurs de 5 pouces

(Fig. 6). boîte à diffusion avait été remplie de sable. Ainsi,

Fic. 6 . - Boîte à diffusion ouverte, sans s o n radiateur.

Deux de ces compteurs comportent un radiateur en verre F2. Pour ce type de radiateur, une compo- sante de scintillation s'ajoute à la composante Cerenkov, ce qui donne une réponse très peu dépendante de la vitesse de la particule. Ces compteurs sont donc utilisés pour mesurer la charge des particules.

Les trois autres compteurs sont dits de vitesse :

l'un comporte un radiateur de PTFE (teflon) de

1,5 cm d'épaisseur et d'indice 1,33 ; le second

comporte un radiateur constitué d'une mosaïque de blocs hexagonaux d'aérogel d'indice 1,06 ; ces blocs ont pour dimensions : 15 cm sur plat et 5,3 cm

d'épaisseur (Fig. 7). Enfin, le radiateur du

3" compteur est réalisé en sable d'aérogel d'indice de

réfraction 1,015. Ce radiateur est lui-même constitué de deux demi-radiateurs de 5 , s cm d'épaisseur sépa- rés par une distance de 5,5 cm. De la sorte, la lumière produite le long de la trajectoire de la particule et rediffusée par le sable n'a pas à traverser toute la masse de radiateur pour atteindre les photo- multiplicateurs, ce qui aurait été le cas si toute la

malgré l'assez faible longueur d'absorption de la lumière dans le matériau, les variations d'efficacité (effet centre-bord) restent peu importantes.

Un exemple de résultat obtenu en ballon avec ces types de compteur est présenté figure 8. Chaque point correspond à une particule cosmique du groupe du fer détectée par l'ensemble des compteurs de charge et de vitesse. On a porté, ici, la réponse du compteur aérogel en fonction de celle du teflon [12]. Le signal de I'aérogel croît très vite au-dessus de son seuil Cerenkov, alors que le signal du teflon reste à peu près constant puisqu'on est alors au voisinage de la saturation pour ce compteur. En dessous de son seuil Cerenkov, le signal aérogel est relativement constant et a pour valeur environ 3 % du signal à la saturation. Il est dû à l'émission Cerenkov dans la feuille de mylar utilisée pour garder la mosaïque en place dans la boîte à diffusion. L'accroîssement juste en dessous du seuil est vraisemblablement dû au démarrage de l'effet Cerenkov par les électrons de Knock on. S'il y avait une composante de scintillation, on verrait une remontée vers les basses énergies. Nous avons pu ainsi estimer que la compo- sante de scintillation était inférieure à 1 % de l'émis- sion donnée par des particules relativistes.

6. Conclusions.

-

Les aérogels de silice permet- tent de combler un vide dans la gamme d'indices de réfraction que l'on peut atteindre avec des solides.

Pratiquement pour des indices de 1,03 à 1,06, ils peuvent être utilisés sous forme de blocs après fabrication à l'autoclave. En dessous de 1,03, il nous a paru plus commode d'utiliser du sable d'aérogel. Pour obtenir des indices supérieurs à 1,06, il faut

J. J. ENGELMANN E T M. CANTIN

ENERGlE CINETIQUE en M~V/N

Les mesures en ballon et auprès d'accélérateurs rence et son homogénéité. On observe en effet des d e particules ont montré que les aérogels de silice se longueurs d'absorption qui varient beaucoup d'un comportent bien comme des radiateurs Cerenkov échantillon à l'autre. Par contre, l'indice du matériau purs : la composante de scintillation est négligeable. est obtenu d'une manière très reproductible lors-

On peut espérer, dans l'avenir, améliorer quelque qu'on contrôle soigneusement tous les paramètres peu la quaIité du matériau, en particulier sa transpa- lors de la fabrication.

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