Réalisation d'un discriminateur rapide utilisé en spectrométrie de neutrons rapides par la méthode du temps de vol

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Réalisation d’un discriminateur rapide utilisé en

spectrométrie de neutrons rapides par la méthode du

temps de vol

Robert Barjon, Yves Flamant, Jean Lachkar

To cite this version:

RÉALISATION

D’UN DISCRIMINATEUR RAPIDE

UTILISÉ EN

SPECTROMÉTRIE

DE NEUTRONS RAPIDES

_PAR

LA MÉTHODE DU TEMPS DE VOL

Par ROBERT

_BARJON,

YVES FLAMANT et JEAN

_LACHKAR,

Institut d’Études Nucléaires de l’Université _d’Alger.

Résumé. 2014 Cet article décrit

un discriminateur

_{rapide d’impulsions}

destiné à un ensemble de

spectrométrie par temps de vol de neutrons _rapides de résolution totale inférieure à la nanoseconde,

la résolution propre du discriminateur étant inférieure à 0,3 nanoseconde _(pour des neutrons de 14 _MeV). Cet article expose aussi une démonstration directe de la formule donnant la fluctuation

de _temps de transit dans un _appareil à seuil. Abstract. 2014 A fast

pulse-amplitude discriminator is described which is a _part of a _{time-of-flight}

fast neutron _{spectrometer.}

The _{resolving power} of this discriminator is less than 0.3 nanosecond for 14 MeV neutrons. The formula _giving the transit time in a threshold _apparatus is derived _by a direct method.

PHYSIQUE APPLIQUÉE 24, 1963,

Introduction. - La réalisation de

l’électronique

destinée à l’étude des réactions

_(d,

_n)

en faisceau

pulsé

avec un Van de Graaff de 3 MeV nous a

amenés à étudier .un discriminateur

_{d’impulsions}

rapides

dans le domaine de la nanoseconde. Il est

destiné à

_séparer

les

_impulsions

de bruit de

_fond,

de celles _{détectées par} un

_compteur

à scintillation.

L’appareil

délivre un

signal

calibré en

_amplitude,

largeur

et front _{de montée pour} toute

_impulsion

supérieure

à un seuil

réglable

de

_quelques

dizaines

de millivolts à

_quelques

dizaines de volts. La réso-lution en

_temps

de

_l’appareil

est inférieure à

_0,3

na-noseconde.

,

I. PERFORMANCES EXIGIBLES D’UN DISCRIMI-NATEUR RAPIDE. - La

détection des neutrons _par

protons

de recul donnant un

_spectre

de

_signaux

continu en

_amplitude,

le seuil de discrimination

doit

_pouvoir

être _{fixé aussi bas que}

_possible.

Il faut

en effet

_pouvoir

éliminer au mieux les

_impulsions

parasites

et

_compter

tous les neutrons.

_L’appareil

doit donc avoir un

pouvoir

de résolution élevé.

- La détection des neutrons

par scintillateurs

°

rapides

donne des

_impulsions

dont le front de

montée est de l’ordre de la nanoseconde. Aux fré-quences élevées

correspondant

à ces

valeurs,

les

capacités

interélectrodes

_{représentent}

des

impé-dances en

_parallèle

faibles.

- Pour éliminer les

impulsions

d’amplitude

non

négligeable

transmises par

capacité

grille

cathode de

_{l’étage seuil,}

un

neutrodynage

s’avère

néces-saire.

- Les

expériences

de

_neutronique

_par

_temps

de vol durant souvent

_plusieurs

_heures,

une très bonne

stabilité des

_dispositifs

_{électroniques}

est donc

pri-mordiale. Nous nous sommes attachés à cet effet à

alimenter les filaments par une tension fortement

régulée ;

à stabiliser au maximum les hautes

ten-sions continues 250 et 400 V _par filtres RC et

régu-lateurs au néon

(13.201).

1 II. FLUCTUATIONS DE TEMPS DE TRANSIT : ₁ DÉ-MONSTRATION DE LA FORMULE DE LA FLUCTUATION

DU TEMPS DE TRANSIT. -

L’appareil

faisant

_partie

d’un

_{spectromètre}

à

_temps

de

_vol,

le

_temps

de transit dans cet

_appareil

doit être aussi constant

que

possible ;

nous avons donc

_porté

toute notre

attention sur les fluctuations de déclenchement.

Or dans un

discriminateur,

la fonction seuil est

remplie

par un élément dont la

_{caractéristique}

possède

une

_brusque

discontinuité. Il est assez

intuitif de _{penser que} le

_temps

de basculement mis pour passer d’un état à un autre

_dépend

du

dépas-sement _par

_rapport

au seuil de

_{l’amplitude}

du

signal appliqué

à l’entrée.

Il

_faut,

d’autre

_part,

noter _{que l’influence de} la

charge

d’espace

sur le

_temps

de transit est

_plus

grande

pour les

impulsions

faibles que pour les

grandes impulsions.

Ces raisons

_ajoutées

aux fluc-tuations d’émission

_{thermoïoniques}

entrainent une

incertitude sur le retard au déclenchement et

sou-lignent

les difficultés

_qui

se

_posent

_{à propos de la}

transmission d’informations destinées à mesurer le

temps.

Certains auteurs ont

_publié

une formule donnant

le « retard au déclenchement o At.

où e est le

_temps

de transit de

_{l’amplificateur}

et

Y -

_ho

est le

_dépassement

du

_signal

d’entrée sur

le seuil.

_K1

et

_K2

étant des constantes contenant le

gain

G.

Cette formule

_représente

bien l’allure des courbes

expérimentales

donnant le

_temps

de transit en

fonction de V -

_{Vo, dépassement}

de

_{l’impulsion}

au-dessus du seuil.

Démontrons cette formule dans le cas d’un

am-plificateur

à seuil

_ho,

de

_temps

de transit 0. A un

signal

donné à

_l’entrée,

il délivre à la sortie une

impulsion

égale

au

_produit

de la résistance de

charge

de

_l’étage,

_{par la variation de} courant

20 A

pondant. Supposons

que

_{l’amplificateur}

soit doté d’une réaction

_positive

de taux

_B,

de constante de

temps

fonctionnant jusqu’au

seuil

_Vô

directement lié à

_Vo

_par le

_gain

G.

Chaque dispositif

à seuil est de ce

_typë,

comme

le montre

la figure

1 donnant le

_principe

de fonc-tionnement du

_monostable,

de

_{l’amplificateur}

à

seuil et de la diode

_polarisée.

Dans ces trois cas : le

_monostable,

_l’ampli

à

seuil et la diode

_polarisée,

nous _voyons

_apparaître

un

_{amplificateur}

saturé ou non doté d’une réaction

positive g

possédant

une constante de

_temps

0393.

Appliquons

à l’entrée de l’ensemble une

impul-sion carrée x

d’équation :

v(t)

étant la fonction de

_Heaviside,

on obtient à la

sortie : soit :

FI G. 1. -Schéma fonctionnel des divers dispositifs à seuil.

Or

D’où :

a)

Retard au déclenchement. -

Commençons

par étudier le retard au déclenchement. La réaction

cesse _{pour y} =

Vo,

la bascule revenant à _son état

initial.

A cet instant :

b)

Forme de

_{l’impulsion.}

- Pour

déterminer

complètement

la forme de

_{l’impulsion}

de

_sortie,

faisons

_appel

au calcul

_{symbolique ;}

soit

_y(p)

l’image

de la fonction

_y(t)

_par transformée de

Laplace.

Nous pouvons

prévoir

la forme de cette courbe sachant

_qu’à

la fonction :

Il

_correspond

la fonction en t :

Fie. 2. - Forme de

l’impulsion de sortie.

La courbe

_{s’apparentera}

donc à une courbe en

marches 6

_{d’escalier,}

nulle

_{jusqu’à t}

= 0 dont les

marches ont une

_largeur

6.

_{Chaque palier}

est une

exponentielle

de constante de

_temps

0 donnée _par

l’image

du numérateur de la transformée.

La réaction cessant

_lorsque

_{y =}

_{G V 0}

au bout du

temps 6

+

At ;

K final est donc l’entier

immédia-tement

_supérieur

à

₍₆

--f-

àt) J0

ou

L’impulsion

retombe ensuite à zéro avec la cons-tante de

_temps

_{propre de}

_{l’amplificateur}

_pour

t>to.

III. DESCRIPTION DE

_{L’ÉLECTRONIQUE.}

- Les

21 A

FIG. 3. - Discriminateur

rapide,

partie

« _trigger ».

FIG. 4. - Discriminateur

rapide, partie « mise en forme ».

du discriminateur est

_remplie

_{par les tubes}

_V2

et

_V3

constituant un

_{amplificateur à}

cathodes

_couplées.

Ces

_lampes

sont _{suivies par des}

_étages

limiteurs

puis

par une mise en forme

_possédant

un

_{seuil ;}

mais celui-ci étant maintenu fixe il n’intervient

qu’au

second ordre.

Vu la

_plage

de fonctionnement de

_l’appareil

tant

au

_point

de vue

_temps

de montée

_{qu’au point}

de vue

_largeur

_{d’impulsions,}

les

_capacités

_parasites

jouent

un rôle

considérable ;

nous avons donc

réalisé le

_cablage

en _{grappe bien connu,} et une

22 A

de

_l’étage

à

_{couplage cathodique.}

L’effet

_de

cette

capacité

est _{contrebalancé par la}

_{lampe h4}

réali-sant un

_neutrodynage

de

_{l’impulsion.}

Sur les cathodes des

_{lampes V2}

_{et V3 apparaissent,}

d’une

_part,

les

_impulsions

_{transmises par} capa-cité

_{parasite grille-cathode}

de

_{V2 et}

des

_impulsions

déphasés

de 1t par

v4,

d’autre

_part.

_{L’amplitude}

recueillie sur la

_plaque

de

_V4

est

_ajustée

_{par la}

capacité

variable 3-30

_pF

de transmission sur la

grille

de

_V4.

Ce

_dispositif

affaiblit fortement les

_impulsions

obtenues à la sortie du

_{trigger correspondant}

à des

signaux

d’entrée inférieurs au seuil. Il

_présente

en

plus l’avantage

de maintenir fixe le

_potentiel

des cathodes donc de diminuer le

_temps

de transit dans

_l’étage

et _{par là même les fluctuations de}

temps

de transit.

La

_{lampe V,}

_amplifie

des

_{petites impulsions}

en vue

_{d’augmenter}

la stabilité du seuil et le

_pouvoir

de résolution de

_{l’appareil.}

Le

_point

de

fonction-nement de la

_lampe

a été choisi de

façon

à

aug-menter la bande

_passante

de la

_lampe

_(une

D 3 a

Siemens)

par inductance de

compensation

dans le

circuit

_plaque

et contre réaction sélective _par circuit R. C.

_série,

en

parallèle

sur la résistance de

cathode.

Les

_impulsions

de sortie du

_trigger

sont

ampli-fiées et

_allongées

_{par les}

_étages

limiteurs

_{V5, V 6,}

_{V 7.}

Chaque étage

se _{compose soit d’un élément de}

lampe

triode

_{(1/2 CCa)}

soit d’une

_pentode

à

_grande

pente

(D

3

_a)

donnant un

gain

et une bande

pas-sante

_acceptables

avec des

capacités

interélectrodes

minima afin de ne _{pas détériorer le front de}

montée de

_{l’impulsion.}

Sur l’anode

_V?

les

_impulsions

_qui

ont déclenché le

_trigger

ont toutes la même

_amplitude

et

atta-quent

un circuit de mise en forme _par

ligne

à

retard sur circuit d’anode.

L’impédance

de

_charge

de l’anode est celle de

son câble. Celui-ci étant en court-circuit à son

extrémité pour les

impulsions,

est traversé deux fois par

l’impulsion

en

changeant

de

signe

au retour. La somme

algébrique

des deux

signaux

donne deux

_impulsions

de

_{largeur égale}

à deux fois la

_{longueur électrique}

du câble dont l’une est

éli-minée _par la diode en

_parallèle

sur celui-ci.

Enfin une anode follower fonctionnant

_près

du cut

_off,

du fait de la résistance de cathode de 390 03A9 délivre une

impulsion

de 8 V sous une

_charge

de 185 03A9. Une diode

_rapide

à faible résistance directe

_15Pi

élimine les rebondissements

_positifs

à la sortie.

IV. RÉSULTATS Expérimentaux

_a)

Caracté-ristiques

électriques

du circuit :

Les

_{caractéristiques}

essentielles du circuit sont

les suivantes :

-

gamme de discrimination :

0,2

à 3 volts et 3

à 20

_{volts ;}

niveau de sortie 8 sons

185 03A9 ; temps

de _{montée : 4 ns ;} durée de

_{l’impulsion}

de sortie : 20 _{ns ;} stabilité du seuil à

_long

terme : 40

_{mV ;}

temps

de restitution : 67 ns

_(fonction

du

dépas-sement) ;

résolution en

_{temps :}

_0,3

ns.

b)

Courbes

_{expérimentales.}

- Les

figures 5,

6 et 7

montrent,

d’une

_part,

la courbe

_{d’étalonnage}

_pour diverses

_{largeurs d’impulsion,}

la

_{caractéristique}

du retard au déclenchement at =

f [( v

-

vo) Ivo]

et la

Fie. 5. -- Courbe

d’étalonnage du discriminateur.

FIG. 6. -

Caractéristique

de retard au déclenchement.

courbe

_{expérimentale}

de la résolution en

_temps

obtenue comme le montre le schéma.

_Remarquons

que cette dernière courbe

_pourrait

d’ailleurs se

dé-duire par

intégration

de la

_{précédente.}

Cette courbe donne une résolution de

_0,3

ns de l’ensemble

FIG. 7. -

Mesure de la résolution en _temps du _dispositif.

montre _{que la résolution propre du discriminateur} est inférieure à

_0,3

ns.

V. Conclusion. - Nous

avons réalisé un

appa-reil très

_adapté

à notre

_problème

de discrimination

des

_impulsions

_produites

_{par des} neutrons

_{rapides :}

Dans le domaine des discriminateurs à tube de ce

type

[2,

3],

il nous semble difficile d’obtenir un

temps

de résolution très inférieur. L’effort doit maintenant être

_porté

sur les circuits à base de semi-conducteurs et de diodes tunnel.

L’étude des

_{caractéristiques}

de retard au

déclen-chement et de

_temps

de restitution

_soulignent

l’importance

des fluctuations de

_temps

de transit. Si l’on voulait encore réduire ces deux facteurs on

pourrait

utiliser une sélection latérale : il suffit de

régler

le seuil du discriminateur de la voie lente

à une valeur

_{légèrement supérieure}

à celui de la

voie

_rapide.

C’est ce

_qu’on

fait de nombreux

expéri-mentateurs.

VI. Remerciements. -

Nous tenons à

_exprimer

toute notre reconnaissance à M.

_Mey,

Chef du

Service au Centre

d’Études

Nucléaires de

Grenoble,

pour nous avoir très

_aimablement

_communiqué

une

étude non encore

_{publiée (ré.[4]).}

Nous remercions

M.

_Herry

du soin avec

_lequel

il a effectué le

_câblage

et les

_essais,

et enfin M. le Pr

_Suzor,

Directeur de l’I. E. _{N. pour les conseils} et l’aide

_qu’il

nous a

apportés.

Manuscrit reçu le 25 mai 1962.

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