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Un circuit de coïncidence rapide avec un analyseur de temps

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(1)

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Un circuit de coïncidence rapide avec un analyseur de

temps

Ernst Rémy, Klaus Winter

To cite this version:

(2)

UN CIRCUIT DE

COÏNCIDENCE

RAPIDE AVEC UN ANALYSEUR DE TEMPS Par ERNST

RÉMY

et KLAUS

WINTER,

Laboratoire de Physique Atomique et Moléculaire du Collège de France, Paris.

LE JOURNAL DE PHYSIQUE ET LE RADIUM SUPPLÉMENT

PHYSIQUE APPLIQUÉE TOME 18, JUILLET 1957, PAGE 112 A

Introduction. - La

précision

de détermination des

énergies

de neutrons avec la méthode de

temps

de vol

dépend

essentiellement de la

qualité

du

circuit de coïncidence

employé.

Cette

précision

est

donnée ar AE

N Avec un tem s de vol

donnée par

.E

t

Avec un

temps

de vol de 50 mys, pour des neutrons de 2 MeV sur un parcours de 1 m, et avec une erreur moyenne de mesure de

temps

de ~t = 1

mps, l’erreur relative

de la mesure s’élève à 4

%

c’est-à-dire 80 keV. dt est donné par la résolution et la stabilité du circuit de coïncidence. Les circuits

classiques

de coïncidence avec une bonne résolution

[1]

deman-dent des

temps

de mesure très

longs

car

chaque

intervalle

d’énergie

d’un

spectre

doit être mesuré

avec un retard

correspondant

à un

temps

de vol

particulier.

Pour raccourcir ces

temps

de mesure,

des circuits

chronométriques

ont été mis au

point

récemment, permettant

la mesure de tous les différents

temps

de

vol,

donc de tout le

spectre

d’énergie

en même

temps.

Ainsi on améliore la

pré-cision des mesures soit parce que la stabilité du circuit est meilleure

pendant

des intervalles de

temps

plus

courts,

soit parce que des intensités

plus

faibles

peuvent

être détectées

pendant

les mêmes

temps

de mesure. Un tel

circuit,

le «

chro-notron » a été réalisé par Keuffel

[2].

Un

dispositif

chronotron

plus

récent de O’Neill

[3]

consiste en

deux câbles à retard

qui

sont connectés en dix

points équidistants

avec des détecteurs de

poten-tiel. Le

signal

initial et le

signal

final se

propagent

dans les deux câbles à retard dans des directions

opposées.

Le détecteur de

potentiel

dont le

signal

de coïncidence est le

plus grand indique

l’inter-valle de

temps

entre les

deux signaux

d’entrée.

Un

analyseur

de

temps

simple

et en même

temps

plus

universel dans ces

applications

a été construit par Neillson et James

[4].

Ils ont

employé

un seul détecteur de coïncidence de tension

qui

sort sur un

analyseur

de

temps

rapide,

dont

l’impulsion

de sortie est

proportionnelle,

dans une

région

au

choix,

à l’intervalle de

temps

entre les deux

impulsions.

Les

impulsions

peuvent

être

enregistrées

avec un sélecteur

d’impulsion.

Comme tube dans le

détec-teur de coïncidence ils ont

employé

un 6BN6

qui

demande des

impulsions

d’entrée relativement

grandes.

Ceci limite le

temps

de résolution propre de

l’électronique

à environ 10-~ s. Dans un schéma amélioré par Warren

[5]

la 6BN6 a été

remplacée

par une diode à cristal. La résolution de

l’électro-nique

montait alors à 2 X

s, mais

on n’avait réalisé

qu’une

linéarité entre l’intervalle de

temps

et la hauteur

d’impulsion

à la sortie de

l’analyseur

dans des

régions

limitées à 2 mps environ. En outre ils trouvaient une relation entre cette hauteur des

impulsions

et le taux de

comptage

des coïncidences. Le circuit suivant est linéaire dans la

région,

de 2 à 16 mps de retard et ne montre pas de relation

entre la hauteur

d’impulsion

et le taux de

comptage

de coïncidence dans la limite de stabilité.

Dispositif.

--~ La

figure

1 montre le schéma en bloc du circuit de coïncidence. Comme détecteur on se servait de deux cristaux de stilbène de 29 mm

de diamètre et 16 mm de hauteur collés sur des

FIG. 1. - Schéma en bloc.

photornuliiplicateurs

RCA 5819 avec une

photo-cathode convexe. Ce

photomultiplicateur

montre,

parmi

toutes les sortes

disponibles

de 2 inch de diamètre les moindres fluctuations du

temps

de transit des électrons.

D’après

les

expériences

de Smith

[6]

la différence du

temps

de transit entre un

point

au milieu de la

photocathode

et un

point

à

une distance de

3/8

inch se monte en moyenne

à

0,5

mps. Cette distance

correspond

à peu

près

au rayon des cristaux de stilbène

employés.

En

plus

le

potentiel

entre la cathode et la

première dynode

du

photomultiplicateur

a été

augmenté

de moitié par

rapport

aux normes données par RCA.

,

Le schéma est

composé

d’un circuit de coïnci-dence

rapide

(1:’

=

1,5

X 10-9

s)

et lent

(1:’

== 4 X 10-7

s).

Les

impulsions

de circuit

rapide

(3)

113 A

sortent de l’anode du

photomultiplicateur

par un

cathodefollower

(6AK5). Amplifiés

dans

chaque

voie par deux

amplificateurs (1)

distribués elles

sont

envoyées

à

l’étage

de coïncidence

qui

est

connecté avec un

analyseur

de

temps.

Les

impul-sions de

sortie,

étant

amplifiées

encore une

fois,

et

retardées,

sont

envoyées

à l’entrée d’un verrou. Le circuit lent sort des dixièmes

dynodes

par des

cathodefollowers

(6AK5).

Ces

impulsions

passent

par des discriminateurs dans le circuit de

coïnci-dences

lent,

dont

l’impulsion

de sortie ouvre le

verrou, de cette

façon

les

impulsions

venant de

l’analyseur

de

temps peuvent

être

enregistrées

par

le sélecteur.

Le circuit de coïncidence

rapide (fig. 2)

corres-pond

au

principe qui

a été

développé

par

Bell,

Fie. 2. - Coïncidence

rapide et analyseur de temps.

Graham et Petch

[1].

Les

impulsions

sont

coupées

à

une

longueur

de 20 mys par un câble

court-circuité

(S).

En faisant varier la

longueur

du câble on

peut choisir,

d’une manière

simple,

la

région

de

mesure, c’est-à-dire l’intervalle de

temps

mesu-rable entre deux

impulsions.

Le

potentiel

de la

grille

du tube

T2

monte,

correspondant

à la durée de

temps

de la

superposition

des deux

impul-sions

[5].

Ayant passé l’étage

de

l’intégration

avec

le tube

T~

l’impulsion

est transmise par un cathode-follower

T3

à un

amplificateur.

Résolution propre et stabilité. - La résolution

propre de

l’électronique rapide

sans

photomulti-plicateur,

a été mesurée avec des

impulsions

rectan-gulaires

d’un

temps

de monté de ~.0-g s et d’une

longueur

de 100 rnys

(2).

Il y avait un retard de

10,8

mps

(10

pieds

de

câble)

entre les deux voies

(1) Hewlett-Packard, modèle 460A, 200 MHz. (2) EPIC modèle 200, Electrical and Physical Inc.

de

façon

à ce

qu’on

travaille au milieu de la

région

linéaire de

l’analyseur

de

temps.

La

largeur

à mi-hauteur de la courbe de résolution

(fig. 5, C)

enre-gistrée

par le sélecteur était de 3 X 10- 10 s. La stabilité du

dispositif

a été

éprouvée pendant

12 heures par la

position

du maximum de cette

FIG. 3. - Courbe

d’étalonnage de l’analyseur de temps, Enregistrée par des courbes de résolution de 22Na. pente 4,07 x 10-1° sJV.

(4)

114 A

courbe de résolution. Le

déplacement

maximum

correspondait à 3

X 10- 1° s. La coïncidence

rapide,

l’analyseur

de

temps

et

l’amplificateur suivant,

se

trouvent dans un thermostat dont la

température

est constante à

0,2

~C

près.

Étage

de mise en forme. - La relation entre les

impulsions

entrantes dans le sélecteur et la hauteur

des

impulsions

à l’entrée des

amplificateurs

dis-tribués à été étudiée. Une des voies d’entrée était

toujours

retardée par

10,8

nys. La

figure

4,

A

FIG. 4. ~- Position de maximum de la courbe

de résolution propre. A. Même hauteur des impulsions à l’entrée. B. Une hauteur fixée à 0,13 V, l’autre variable.

Largeur de canal : 3,14 X ~. Or ~ ° s.

montre la

position

du maximum de la courbe de résolution propre

enregistrée

par le sélecteur au cas ou les

impulsions

d’entrées coïncidentes sont variées

en hauteur de la même

façon.

La courbe montre que

le

dispositif

est

indépendant

de la hauteur des

impulsions

dès

qu’elles dépassent 0,04

V. La

courbe B dans la

figure 4,

a été mesurée avec une

hauteur

d’impulsions

fixée à

0,13

V dans une des deux voies en faisant varier cette hauteur entre

0,032

V et 1 V dans l’autre voie. Dans cette

région

le maximum de la courbe de résolution propre

correspondait

à un intervalle de

temps

de

1,4

x 10- 9 s. Cet intervalle de

temps

est introduit

par le fait que des

impulsions

des hauteurs

diffé-rentes demandent des

temps

différents pour monter

jusqu’au potentiel

du cut-off.

Résolution. -- La résolution du

dispositif

a été mesurée avec le

rayonnement

d’annihilation d’une source de 22Na. La

figure 5,

A montre la courbe de résolution du circuit

rapide,

ayant

une

largeur

à

mi-hauteur de

3,2

X s. Cette courbe contient

toutes les coïncidences effectuées par des

impulsions

dépassant

0,04

V à la sortie de

photomultiplicateur,

entre

elles,

aussi celles des électrons

Compton.

La

figure 4,

B met en évidence que la résolution

peut

être améliorée de

1,4

mys

environ,

si on choisit

FIG. 5. - Courbes de résolution.

A. Avec 22Na sans circuit lent, largeur de canal

3,32 x 10-10 s.

B. Avec 22Na avec circuit lent, largeur de canal

3,32 x 10~1° s.

C. Résolution propre de l’électronique, largeur de canal 3,14 x 1 0-1° s.

FIG. 6. -

(5)

115 A

seulement les coïncidences effectuées par des

impul-sions de la même hauteur. Cette sélection a été

réalisée par les discriminateurs dans le circuit de

coïncidences lentes et par le verrou. Ainsi on

trouve une courbe de résolution

(fig. 5, B)

avec une

largeur

à mi-hauteur de

1,5

X 10-9 s.

Linéarité. -- La

figure

3 montre la courbe

d’étalonnage

de

l’analyseur

de

temps.

Les

points

de mesure sont établis par le

déplacement

du maxi-inum de la courbe de résolution pour 22Na pour des différents retards fixes. Les retards ont été réalisés par des différentes

longueurs

de câble introduit

entre les

amplificateurs

distribués et le circuit de coïncidence. On en déduit une

pente

de la courbe

d’étalonnage

de

4,07

X 10-10

s/V.

Entre 0 et 2 mtls de retard la courbe dévie de la linéarité. Mais ceci ne

signifie

aucun

désavantage,

car le

temps

de vol des

neutrons de 14 MeV sur un parcours de 50 cm

dépasse

2 nys. Une relation entre la

position

du maximum de la courbe de résolution et du taux de

comptage

de coïncidence a été étudiée dans la

région

de 200-5 000 coïncidences par minute

[5].

A la limite de la stabilité du

dispositif

une telle relation n’a pas été trouvée.

Essais de fonctionnement. - En

vue de vérifier le fonctionnement et la

précision

de

l’analyseur,

le

temps

de vol du

rayonnement

y sur un parcours de 20 cm a été étudié

( fig.

6).

Les deux détecteurs étaient à une distance de 25 cm. La courbe 1 a été

enregistrée

avec la source de 22Na dans la

position

1

entre les deux

détecteurs,

la courbe 2 à une distance de 10 cm du centre. La distance moyenne de deux

courbes a été extraite d’une moyenne de 8

points

à

5,9

X 10-1° s. La déviation de la valeur

6,6

X 10-1° s

correspond

à une erreur de 13

%.

Cette erreur est

comprise

dans la

région

de la

stabilité du

dispositif.

Remerciements. - Nous

présentons

nos

remer-ciements

respectueux

à M. le pr Francis Perrin pour

l’aimable accueil

qu’il

a bien voulu nous réserver dans son laboratoire.

Nous remercions

également

M. Claude

Magnan,

Sous-Directeur du

laboratoire,

pour son aide efficace

et pour les fructueuses discussions que nous avons eues ensemble.

Nous remercions

également

le « Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft »

(E.

R.)

et le C. E. A.

(K. W.)

pour les bourses

qu’ils

nous ont

attribuées.

Manuscrit reçu le 31 mai 1957.

.1

BIBLIOGRAPHIE

[1] BELL (R. E.), GRAHAM (R. L.) et PETCH (H. E.), Canad. J. Phys., 1952, 30, 35.

[2] KEUFFEL (J. W.), Rev. Sc. Instr., 1949, 20,197.

[3] O’NEILL (G. K.), Rev. Sc. Instr., 1955, 26, 285.

[4] NEILSON (G. C.) et JAMES (D. B.), Rev. Sc. Instr., 1955,

26, 1018.

[5] JoNES (G.) et WARREN (J. B.), J. Sc. Instr., 1956, 33, 429.

[6] SMITH (R. V.), Westinghouse Research Lab., 1956,

60-94511-6-P6.

LETTRE

A LA

RÉDACTION

REMARQUES

SUR LE FONCTIONNEMENT DE RELAIS

MÉCANO- ÉLECTRIQUES

Par Mlle M.

CHENOT,

École Normale Supérieure des Jeunes Filles, Paris. Une

décharge

en haute

fréquence

dans un tube à gaz

raréfié peut faire

apparaître

une tension continue entre

deux électrodes internes

plongées

dans le gaz ionisé

[1].

La

grandeur

et le sens de la force électromotrice ainsi engendrée

dépendent

de la

position

des électrodes

internes par rapport aux électrodes externes d’exci-tation. Si l’on établit une liaison entre l’une des

élec-trodes externes et un

système

mécanique

animé de

petits

mouvements, ces derniers se traduisent par la

production

d’une tension variable

qui

peut

servir à les

mesurer ou à actionner un relais. Des

applications

de ce genre ont été décrites par K. S. Lion et ses colla-borateurs

[2], ~3~.

J’ai montré récemment que les caractère du

phéno-mène étaient en relation avec les courbes de

potentiel

explosif

et de

potentiel

d’entretien minimum de la

décharge,

dans les différentes

régions

du tube

corres-pondant

aux intervalles délimités par les électrodes

successives. Des considérations

analogues

peuvent

rendre

compte

de l’existence des

positions

critiques

des électrodes

qui

assurent de

grandes

valeurs de la force électromotrice du tube. La discussion est

particu-lièrement facile avec le

dispositif

de Rohde

[5],

repris

par K. S. Lion

[3]

et

représenté

sur la

figure

1

(a).

Le

générateur

maintient entre ses bornes une différence

de

potentiel

H. F. constante U.

Lorsque

l’électrode D

est à

égale

distance de A et

B,

la courbe de

potentiel

d’entretient minimum de la

décharge

est la même pour

chaque

moitié du

tube,

c’est la courbe

S,.

Le

point

de

fonctionnement M dans le

diagramme

p, U correspond

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