Remarques sur la réalisation de chambres à scintillations

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Remarques sur la réalisation de chambres à scintillations

J. Duflo

To cite this version:

65

REMARQUES

SUR LA

RÉALISATION

DE CHAMBRES A SCINTILLATIONS

Par J.

_DUFLO,

Laboratoire de _{Physique Atomique} et _{Moléculaire, Collège} de France.

Résumé. 2014 Des

précisions sont _apportées sur les moyens de réaliser une chambre à scintil-lations à l’aide de la caméra _{électronique} Lallemand-Duchesne, et de filaments d’iodure de césium refroidis. L’étude de la distribution de _{la lumière émise par les filaments} a été faite et a _permis des remarques concernant le _dispositif de transmission optique entre le scintillateur et la caméra.

Abstract. 2014 Details

are _given of the construction of a scintillation chamber utilizing

refri-gerated CsI filaments and a Lallemand-Duchesne electronic camera. The angular distribution of the _light emitted _by the filaments has been studied and remarks are made _concerning

_possible

optical systems to transmit the light from scintillator to camera.

LE JOURNAL DE PHYSIQUE ET RADIUM PHYSIQUE APPLIQUÉE

SUPPLÉMENT AU NO 3. TOME _21, MARS _1960, PAGE

Le Laboratoire de

_{Physique Atomique}

et Molé-culaire a

_entrepris,

en collaboration avec

l’Obser-vatoire de Paris et le Centre

d’Études

Nucléaires de

_Saclay,

de réaliser une chambre à filaments

scintillants,

en utilisant la caméra

_{électronique}

de de A. Lallemand et M. Duchesne

_{[1, 2, 3].}

Rappelons

que dans un tel

_{dispositif, chaque}

fila-ment,

traversé _par une

_{particule chargée,}

devient

une source de lumière. Une

_projection

de la

trajec-toire de la

_particule

est _{matérialisée par les}

extré-mités des filaments

_{illuminés ;}

un

_{amplificateur}

de

brillance est _{nécessaire pour}

_permettre

l’enregis-trement

_{photographique}

de cette

_trajectoire.

L’amplification

de brillance de la caméra élec

-tronique,

par

rapport

à la

photographie classique

sur

_plaque

103-0

Kodak,

était de 50 à 100

[2].

Ce

gain

était insuffisant pour la réalisation d’une

chambre à

_{scintillations,}

et L. Goldzahl a

_proposé

de _{l’améliorer par} une meilleure utilisation de la

technique

des émulsions nucléaires. Nous sommes

ainsi parvenus à

_distinguer

du bruit de fond les

traces des électrons accélérés sous 26 keV dans la caméra. Par

_comptage

de ces traces nous _avons,

pour des poses de courte

durée,

porté

le

gain

à 10 000

_et,

_par mesure

microphotométri que

clas-sique

à 1 000 environ

_[4].

Ces résultats sont

illus-FIG. 1. - Microphotométrie d’une mire de Foucault obtenue

par

photographie

classique _sur

plaque

103-0 Kodak

Rochester. Pas de la mire : 200 y ; pose : 100 s. _Dimensions du _spot du _{microphotomètre :} hauteur : 750 y

largeur : 18 [1...

FiG. 2. -

Microphotométrie

d’une mire de Foucault

obte-nue _{par photographie électronique} sur _plaque G. 5. Ilford. Pas de la mire : 200 [1., grandissement électronique 0,8 ;

pose : 1 s. Dimensions du _spot du _{microphotomètrc :}

largeur : 14 u, hauleur : 750 _u..

FIG. 3. -

Microphotomètrie d’une mire de Foucault

obte-1

nue _par

_photographie

_{électronique surplaque} G. 5. Ilford. Pas de la mire : _{200 u ; grandissement électronique 0,8 ;}

pose 1/10 s. Dimensions du _spot du _{microphotomètre :}

largeur : 14 u, hauteur : 750 _y.

trés _{par les}

_{figures 1, 2,}

3 et 4. Les mesures du bruit de fond nous

_permettent

de dire

qu’à

l’aide

d’un obturateur

_{électronique}

_{autorisant des poses} de 10-3 à 10-4 s nous éliminerons

complètement

les traces

_{parasites produites}

_par l’émission spon-tanée de la

_{photocathode. Malgré}

le voile

_chimique

des

_plaques

nous _{pourrons alors certainement}

dé-tecter une

_image

_par

_comptage,

_lorsque

_cette

66

image

sera formée de

_plus

de 4

_{photo électrons}

_par

10 000

_{(.L 2.}

Par

_contre,

30 traces _{par 10}

_{000 y2}

seront _{nécessaires pour l’observation d’une}

_image

par densité et comme nous utiliserons une

_optique

électronique

de

_{grandissement 1/10}

et des

photo-cathodes de rendement

_quantique

entre

_1/10

et

_1/5,

Fie. fi. -

Détection par comptage des traces _{électroniques}

d’une mire de Foucault obtenue par photographie élec-tronique avec _plaque Ilford G. 5. Pas de la mire : 200 u ;

grandissement électronique 0,8. L’ordonnée de chaque tiret horizontal est _égal au nombre de traces _{électroniques}

comprises à l’intérieur d’un _rectangle de 26 X 170

mi-crons. Pose _{1 /10} s.

c’est 150 à 300

_photons

_{par mm2}

_qui

devront arriver sur la couche

photosensible

_{pour obtenir} un tel résultat.

Pour

_pouvoir

_envoyer une telle

_quantité

de lumière sur la

_photocathode

nous avons recherché

le scintillateur de meilleur rendement et étudié les différents

_couplages

entre les filaments et la caméra.

Nous avons choisi l’iodure de

_césium,

non

activé,

mais utilisé à 70

_OK,

comme scintillateur

[5].

Y. Koechlin et B.

_Parlier,

du Centre

d’Études

Nucléaires de

_Saclay,

ont réalisé des filaments d’iodure de césium de section carrée de 1 à 2 mm

de côté et de

_quelques

cm de

_long,

et montré que

ces fils

_{permettaient,}

_pour une

_particule

au

mini-mum

d’ionisation,

d’obtenir environ 1 000

_photons

par mm de

trajectoire.

En ce

qui

concerne le

_couplage

entre le scintil-lateur et la caméra

_{électronique,}

deux

_{possibilités}

s’offrent à nous :

l’une est de mettre la chambre à scintillations et

le

_support

de la couche

_{photosensible}

en contact. En

tenant

_compte

des réflexions sur les lames

trans-parentes séparant

les filaments de cette couche

photosensible,

nous _pensons

_pouvoir

recueillir 80

%

de la lumière

_{émise ;}

la seconde est de

_placer

une

_optique

entre les filaments et la caméra

_{électronique.}

Pour cette seconde

_{possibilité plusieurs}

facteurs sont à considérer :

a)

l’ouverture de

_{l’optique :}

dans les meilleures

conditions elle

_correspond

à un sinus de

0,7

à

0,8 ;

b)

le facteur de _{transmission : pour} une

_optique

très

ouverte,

donc constituée de 5 ou 6

_lentilles,

il ne _pourra

_dépasser

60 à 70

%,

même en traitant

l’optique

pour l’intervalle de

longueur

d’onde

uti-lisé ;

c)

le

_{grandissement :}

une réduction

_s’impose

si nous désirons utiliser une chambre à scintillation

d’un diamètre

_supérieur

à celui de la

_{photocathode.}

Or une

_optique

de faible

_{grandissement}

ne

trans-met

_{qu’une petite}

fraction de la _{lumière émise par} la source. J’ai donc été amené à étudier la struc-ture

_{géométrique}

et l’intensité du faisceau

lumi-neux issu d’un filament. _{J’ai ainsi pu} constater _que

l’intensité de la lumière sortant suivant l’axe du

fil,

était le double de celle calculée _par la loi de Lambert. L’ensemble des résultats obtenus est

porté

sur la

_figure

_5,

dans

_{laquelle :}

la courbe 1

FIG. 5. - Taux de lumière sortant d’un

filament

en _fonction de l’angle solide limitant le _faisceau.

Sinus r _{(r, angle} de sortie de la lumière,

par rapport à l’axe du filament).

représente

la loi de

_{Lambert ;}

la courbe 2

corres-pond

à un filament d’iodure de césium dont

l’extré-mité n’a pas été

_{parfaitement polie ;}

la courbe 3 a

été obtenue à l’aide d’un filament dont l’extrémité

a été rendue

parfaitement

plane

par la mise en

con-tact

_optique

avec une

petite

plaque

de verre

de

_2/10

de mm. Un

gain

sensible de lumière est

alors obtenu suivant l’axe du filament

₍₁₀

à 15

_{%) ;}

la courbe 4 a été obtenue avec un filament

plas-tique

dont l’extrémité avait été moulée

_(plane).

La surface latérale avait été

_parfaitement

Ces mesures ont été faites à l’aide du

dispositif,

schématisé

(fig. 6).

FIG. 6. - Schéma de l’appareillage. P. M. :

_{photomultiplicateur.}

D. : _diaphragme variable. 0. : obturateur.

S. : _supports du filament (pointes) liés à la tige T. B. : boîte étanche à la lumière.

el. : source de

_polonium

_{diaphragmée.} ’

F. : filament scintillant étudié.

T. : _{tige permettant} le _déplacement du filament et de

la source suivant l’axe du P. M.

Ces résultats

_{s’expliquent}

facilement. En

_effet,

considérons un filament de 1 mm de diamètre et

quelques

cm de

_long,

traversé _par une

_particule

ionisante à 2 cm de la face de sortie. Les

trajets

optiques

sont dessinés sur la

figure

7.

FIG. 7. - Réflexion de la lumière à l’intérieur d’un filament.

Nous

_constatons

_{que la lumière} sortant suivant

un

_angle

r 11° par

_rapport

à l’axe

(à sin r 0,15)

ne s’est réfléchie sur les

_{parois qu’au}

maximum

deux fois. La lumière

_qui

s’est réfléchie deux ou

trois fois sort suivant un

_{angle r}

_compris

entre 110

et 17o

_(sin

r

_0,3).

Celle

_qui

a subi 3 à 6

_réflexions,

entre 17 et 340

(sin r

0,56).

Celle

_qui

a subi 6 à 12

_réflexions,

entre 34 et 90°

(sin r 1 ).

Les rayons

ayant

subi un

_grand

nombre de

ré-flexions sont très

_affaiblis,

les faces n’étant

_jamais

parfaitement

réfléchissantes. C’est le cas _{des rayons}

dont

_l’angle

de sortie est

_grand.

Pour cette même

raison il ne sera _pas

_possible

d’utiliser des fils

scintillants très

_longs

ou à section très

_petite.

Les écarts des résultats obtenus avec les fils scin-tillants par

rapport

à la loi de Lambert se

_justifient

aussi par les réflexions sur la face de sortie

(for-mules de

_Fresnel).

Pour r’==

_50°,

la fraction de

lumière réfléchie est

_{respectivement}

8 et 12

_%

_pour

le

_plastique

et l’iodure de césium. Elle atteint

_100%

pour r = 900. Si l’extrémité n’est pas

optiquement

plane

la lumière est diffusée et l’émission se

rap-proche

de la loi de

_Lambert,

ce _que nous avons _pu

constater lors des mesures faites avec un filament

simplement poli

ou rendu

_optiquement

_plan

à l’aide

d’une lame de verre

(courbes

2 et

_3).

Ces

_pertes

_par réflexion sur la face de sortie

_pourraient

être

sensi-blement diminuées à l’aide d’une couche anti-réflectrice..

Les différences

_{d’absorption}

de la

_lumière,

sui-vant les

_{trajets empruntés}

dans le

_{scintülateur,}

n’interviennent _{que faiblement. En effet} un _rayon

qui

sort

_après

s’être _{réfléchi 6 fois par} cm

_(ce

_rayon

est alors réfracté

_{tangentiellement}

à la face de

sortie)

voit son

parcours augmenté

de 25

_%

_par

rapport

à celui d’un rayon se

_propageant

suivant l’axe du filament.

Enfin

nous avons observé

_qu’en

rendant

réflé-chissante la face

_opposée

à celle utilisée comme

source, par

exemple

avec une feuille d’aluminium en contact

_optique,

nous obtenons avec un filament

de 4 cm de

_long,

un

_gain

d’environ 30

_%

_{pour la}

lumière sortant

_normalement,

et 15

_%

sur

l’en-semble du flux sortant. Ce

_gain

_{devient nul pour}

un filament de 10 cm l’excitation lumineuse étant

à 25 mm de la face de sortie de la

lumière,

dans les

deux cas. Ceci

s’explique

_par les

_pertes

_par

absorp-tion et réflexions.

A l’aide des résultats

_ci-dessus,

nous allons

main-tenant évaluer les rendements que l’on

peut

espérer

avec des

optiques

ouvertes à

0,75,

et de

grandis-sement 1 et

_1/5.

Nous tiendrons

_compte

_pour cela

du

_pourcentage

de

_{photons envoyés}

_par

_chaque

filament dans

_l’optique,

du facteur de transmission de cette

_optique,

et de l’aire de la couche

photo-sensible éclairée par un filament. Les

_pourcentages

de

_photons

sont

_indiqués

sur les courbes de la

figure

5. Pour un

grandissement 1,

60

%

des

pho-tons émis

_{atteignent l’optique}

et 4

_%

_lorsque

le

grandissement

est

_{1/5 (la}

loi de Lambert nous

don-nerait

_{respectivement}

50 et

_2,25

_%).

Le facteur de transmission est environ 70

_%

dans les deux cas.

L’éclairement de la

_photocathode

_{par des}

_optiques

ouvertes à

_0,75

et de

_{grandissement}

1 et

_1/5

atteint donc

_{respectivement}

42

_%

et 70

_%

de la brillance des filaments.

_(Dans

le second _{cas, la} surface

éclai-rée _par un filament est évidemment 25 fois

plus

petite. )

L’utilisation de chambres à scintillations de

_palus

-grandes

dimensions nécessiterait une réduction

optique plus importante.

Malheureusement nous

devons nous limiter actuellement à un facteur 5

pour deux raisons :

68

l’image

géométrique

est un cercle de diamètre 20 _u.

Les dimensions de

_l’image

réelle sont celles de

l’image

géométrique,

augmentées

au

_plus

de la

longueur

des traces des

_{photoélectrons}

dans l’émul-sion

_{nucléaire, longueur qui}

est de l’ordre de

_{7 w}

pour des électrons accélérés sous 30

_keV,

les

aber-rations

_optiques

et

_{électroniques}

étant

_{négligeables.}

Dans ce cas

_l’image

réelle

_peut

atteindre 34 _u. Le

_{rapport image}

réelle sur

image géométrique

est

alors

_1,7

et il semble raisonnable de ne _pas

l’aug-menter _par une réduction

_{plus importante.}

Tou-tefois,

nous

_pourrions

diminuer la

longueur

des

traces des

_{photoélectrons}

en les accélérant sous une

tension moins

_élevée,

mais la densité de

_l’image

en

serait affaiblie.

Les fluctuations

_statistiques

créent une seconde

limitation à une réduction

plus importante

car le

nombre de

_photons

par filament

atteignant

la

photocathode

devient très

_petit.

_D’après

les

éva-luations

_{précédentes,}

sur 1 000

_photons

émis par un

filament d’un mm de

_diamètre,

une

_{optique 1/5}

en

transmet environ 30. C’est donc en _{moyenne 4 à}

5 électrons

_qui

forment

_l’image

d’un filament sur

l’émulsion. Une

_{optique 1/10}

n’envoie

_plus

_{que 7} à

8

_photons,

soit 1 électron en _{moyenne pour former}

l’image.

Des manques de

plus

en

_plus

nombreux

risquent

alors de conduire à une

_{interprétation}

erro-née du

_{phénomène enregistré.}

Des remarques

précédentes

nous _{pouvons donc}

prévoir

que les trois

dispositifs

de transmission

con-sidérés

_(optiques

de

_{grandissement}

1 et

_1/5,

et

contact) permettront

de déceler une

_image

_par

den-sité.

_Toutefois,

une

_optique

de

_{grandissement}

infé-rieure à 1 est

_préférable

_{pour construire des}

chambres à scintillations de

_grandes

dimensions.

Pour un tel

_projet,

le

_dispositif

_{de transmission par}

contact,

quoique

présentant

le meilleur rendement lumineux

_{(80 %}

au lieu de 60

%

avec une

_optique

1/5

et 42

_%

avec une

_optique

₁₎

nécessiterait

d’aug-menter dans le même

_rapport

la ‘caméra

électro-nique

et le bloc scintillant. En dehors des diffi-cultés de

_{construction,}

ceci ne

pourrait

se faire

qu’au

détriment de la définition de

_l’image,

car

l’épaisseur

du

_support

de verre de la couche

photo-sensible

_séparant

celle-ci des

_filaments,

devrait être

augmentée.

Ce

_problème

ne se _{pose pas} avec une

optique,

car nous _pouvons mettre au

_point

sur la

couche

_{photosensible.}

Manuscrit reçu le 11 décembre 1959. BIBLIOGRAPHIE

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