Influence de la température sur les scintillateurs liquides

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Submitted on 1 Jan 1960

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Influence de la température sur les scintillateurs liquides

G. Laustriat, A. Coche

To cite this version:

G. Laustriat, A. Coche. Influence de la température sur les scintillateurs liquides. J. Phys. Radium, 1960, 21 (5), pp.487-489. �10.1051/jphysrad:01960002105048700�. �jpa-00236320�

487.

INFLUENCE DE LA TEMPÉRATURE SUR LES SCINTILLATEURS LIQUIDES

Par G. LAUSTRIAT et A.

COCHE,

Département ^{de Chimie} Nucléaire, Centre de Recherches Nucléaires, Strasbourg.

Résumé. ²⁰¹⁴ On a étudié l’influence de la température ^sur les scintillateurs liquides lorsque ^la

fluorescence est excitée _par un rayonnement ^{nucléaire ou une} radiation ultra-violette. En opérant,

dans chaque cas, ^sur des solvants et des solutés différents, ^{on a} pu mettre ^en évidence un effet de

température ^aux divers stades du transfert d’énergie ^{du solvant au soluté et sur} l’émission de fluorescence du soluté.

Abstract. ²⁰¹⁴ We have examined the effect of temperature ^on liquid scintillators when the fluo-

rescence is excited by 03B3-rays ^or ultraviolet light. Operating, ^{in each} case, with various solvents

or solutes, ^we have found an effect of temperature ^{at different} stages of energy transfer from the solvent to the solute and on the fluorescence of the solute.

LE JOURNAL DÉ PHYSIQUE ^{ET LE RADIUM} tOME 21, ^MAI 1960,

Une

application importante

des scintillateurs

liquides

^{est leur} utilisation à la détection des rayons

g mous,

opération

pour

laquelle

^{on est souvent}

amené à refroidir le compteur pour diminuer le bruit de fond. Il est donc

important

de connaître les modifications

apportées

par la variation de la

température

^aux

caractéristiques

^du

photomul- tiplicateur

^et du scintillateur. L’effet de la

tempé-

rature sur le

photomultiplicateur

ayant ^été

étudié

précédemment [1, 2],

^nous exposerons ici les résultats obtenus sur les scintillateurs

liquides.

Outre son aspect

pratique,

^{cette étude}

présente

l’intérêt de fournir

quelques renseignements

^sur

le mécanisme de transfert

d’énergie.

On sait que dans les scintillateurs

liquides, l’énergie

^{du rayon-}

nement nucléaire est d’abord cédée au solvant,

dont les molécules sont

portées

^dans des niveaux d’excitation

électronique

élevés,

puis

^transférée

au soluté. Comme

l’énergie

transférée

correspond

à celle du

premier

^niveau d’excitation du solvant et comme ce transfert

s’opère

^{sur des distances}

relativement

grandes,

^{l’idée la}

plus

communément admise

[3]

^est

qu’une grande partie

^de

l’énergie

initialement _reçue par ^le solvant est

dégradée

^sous

forme de chaleur et

d’énergie

de vibration et que

l’énergie

résiduelle ^-- celle du

premier

^{niveau -}

subit une

migration

^au sein du solvant avant son

transfert au soluté. Les autres

théories,

^soit

qu’elles impliquent

^une

dégradation progressive

^de

l’énergie

d’excitation au cours d’une série d’émission et

d’absorption

^de

photons

par les molécules du solvant

[4],

^soit

qu’elles

^{admettent un transfert}

direct _par résonance, ^{sur de}

grandes distances,

entre les molécules de solvant excitées ^et les molé- cules de soluté [5,

6]

^font

également

^ressortir

les trois

étapes

successives du processus :

absorp-

tion de

l’énergie

par le solvant, ^{transfert au soluté}

et émission de fluorescence de ce dernier. L’un des buts de ce travail était d’étudier l’effet de la tem-

pérature à

^{chacun de ces stades.}

Dispositif

expérimental.

^{-- Le}

dispositif

utilisé,

constitué de deux enceintes isolées

thermiquement,

est du même type que celui utilisé

précédem-

ment

[2].

^La

température

de l’enceinte renfer- mant le

photomultiplicateur

^{est maintenue cons-} tante, tandis que celle ^{où se trouve} le scintillateur

est modifiée

grâce

^{à une} circulation d’air

préala-

blement chauffé ^ou refroidi. La cuve de verre

contenant le scintillateur

liquide

est recouverte de

magnésie

^et comporte ^une fenêtre de quartz ;

un

ajutage

permet ^une circulation d’azote et la

température

^est

repérée

par ^une résistance CTN.

Les

expériences

^{ont été réalisées avec} les diffé- rents solvants ordinairement

employés

^{dans les}

scintillateurs

liquides (xylène,

toluène, ^{dioxane et}

phénylcyclohexane),

le toluène utilisé dans lEs

expériences

^{où la}

température

descend au-dessous

de 0°

^{C étant}

déshydraté

par distillation ^{sur so-} dium.

Quant

^aux

solutés,

nous avions

expérimenté

les

produits

suivants :

paraterphényl (TP), 2,5- diphényloxazole (PPO), 2-phényl-5-oc-naphtyl

oxazole (oc

NPO), 2-phényl-5-biphényl-oxadiazole

(PBD),

1,4-d-i (2-phényl-5 oxazolyl)-benzène (POPOP)

^et

7-diéthylamino-4-méthyl-coumarine (DMC).

Tous les résultats

rapportés

ci-dessous ont été obtenus sur des solutions

privées d’oxygène

par passage d’un ^courant d’azote.

Excitation par ^un rayonnement nucléaire. ^- Dans une

première

^série

d’expériences,

^{on a exa-}

miné l’influence de la

température

^{sur le rendement}

de différents scintillateurs

liquides

^{en excitant}

ceux-ci par ^un rayonnement ^nucléaire

(rayons

y d’une source de

137CS).

La

figure

¹ montre, pour

quelques solutions,

la variation relative de la hauteur

d’impulsion

entre + ^{50 et -} 40°C, ^{celle-ci étant}

posée égale

à 100 à la

température

^{de +} 250 C. Les courbes

présentent

^un maximum situé aux alentours de

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:01960002105048700

488

- 5 OC, le coefficient de

température

^étant

négatif

aux températures

supérieures

^{à cette valeur et}

positif

^aux

températures

inférieures.

Si la variation du rendement

dépend

^{du soluté}

utilisé (elle est nettement

plus prononcée

^avec

le PPO

qu’avec

^le

PBD),

^{elle ne}

dépend

^{pas de sa}

concentration : on a en effet constaté que pour

ces deux solutés, ^le coefficient de

température

FIG. 1.

était

identique

pour des concentrations

comprises

entre 0,5 ^{et 10}

gli.

La nature du solvant influe

également

^{sur l’effet}

de

température, qui

^est

beaucoup

^moins marqué

pour le dioxane et le

phénylcyclohexane

que pour le toluène et le

xylène.

^{Dans le cas d’un}

mélange

de

phénylcyclohexane

^{et de} toluène, l’effet varie linéairement avec les

proportions

relatives des constituants. La viscosité du solvant ^- et sa

variation au cours du refroidissement - n’est pas la ^cause des

phénomènes

observés : en

effet,

nous avons constaté des variations

identiques

pour ^une série de scintillateurs semblables (solu-

tions de PPO dans le

xylène),

^{mais de viscosités}

différentes obtenues par

adjonction

^{au milieu’de}

stéarate d’aluminium

[7].

Excitation par ^une radiation

ultra-violette. -

Dans un autre groupe

d’expériences,

^{on a mesuré}

le courant de sortie du

photomultiplicateur lorsque

la fluorescence des solutions ^est excitée par ^une radiation ultra-violette. L’intérêt de cette tech-

nique

^est

qu’il

^{est alors}

possible

d’exciter soit le soluté seul, ^{en utilisant un solvant} dénué de pro-

priétés

de transfert

(alcool

^ou

cyclohexane),

^soit

le

premier

^niveau des solvants

efficaces,

^{en choi-}

sissant la

longueur

^{d’onde de la lumière} excitatrice de manière à ce

qu’elle

^{coïncide avec la}

première

bande

d’absorption

du solvant. Dans ^ce _cas, le

phénomène

^observé

correspond

^{aux deux dernières}

étapes

du processus de transfert

d’énergie :

^le

passage du solvant ^au soluté et l’émission de fluorescence de celui-ci.

L’effet de

température

^sur l’émission de fluores-

cence du soluté a été étudié sur des solutions

alcooliques.

^Les courbes 1 et 2 de la

figure

²

indiquent

les variations

enregistrées

pour des solutions de PPO et de PBD : elles montrent que l’effet de

température

^{est très faible et de coeffi-}

cient

négatif.

Ces résultats sont à

rapprocher

d’observations

identiques

faites par Bowen

[8]

^sur

des dérivés de

l’anthracène.

FIG. 2.

Lorsqu’on remplace

l’alcool par du

xylène

^ou

du toluène, ^la

plus grande partie

^de la lumière incidente est absorbée par ^le solvant et alors le transfert solvant-soluté a lieu. Les courbes ob- tenues dans ces conditions

(courbes

^{3 et 4 de la}

fiacre

2) ^{diffèrent nettement des}

précédentes :

l’intensité de fluorescence ^-

posée égale

^{à 100 à}

+ ^{25 OC -} augmente notablement

lorsque

^{la tem-}

pérature

diminue, pour atteindre ^{vers -} 20°C une

valeur à peu

près

constante, De même que dans le cas de l’excitation par rayonnement nucléaire,

l’effet de

température

^est

plus marqué

^{avec le PPO}

qu’avec

^{le PBD et, au cours}

d’expériences

portant

sur diff érents solvants, ^{on a} trouvé ici aussi des ,

coefficients de

température

^nettement

plus

^élevés

pour le toluène et le

xylène

que pour le dioxane

et le

phénylcyclohexane.

La viscosité du solvant s’est révélée; par

ailleurs,

^sans influence notable

sur les variations observées.

Conclusions. ^{-- Il ressort} des résultats

précédents

que la variation avec la

température

du rendement des scintillateurs

liquides

excités par ^un rayonne- ment nucléaire est assez faible. Les valeurs

plus

élevées

indiquées

par

Seliger proviennent

^{sans doute}

du fait que ^cet auteur les a obtenues en refroidis-

sant l’ensemble du compteur ^{et en} attribuant au

photomultiplicateur

^{seul un} coefficient de

tempé-

rature

positif [9].

Ce comportement ^des scintillateurs

liquides

semble par ailleurs résulter de

plusieurs

^{effets :}

l’un très faible et de coefficient

négatif, qui

^se

manifeste sur l’émission de fluorescence du soluté

(fig. 2,

courbes 1 et

2) ;

^l’autre

plus important

et de coefficient

négatif, qui

^{affecte le transfert}

d’énergie

^du

premier

niveau d’excitation électro-

489

nique

^{du solvant au}

premier

^{niveau du soluté}

(fig. 2,

^{courbes 3 et}

4)

^et

qui correspond

^{sans doute}

à la

diminution,

^{avec la}

température,

^de

l’agitation thermique

^{et des}

phénomènes

inhibiteurs

qui

^en résultent ; ^{un troisième}

enfin,

^de coefficient

positif,

que l’on peut déduire de la

comparaison

^{des ré-}

sultats obtenus selon que l’excitation de la

fluo-

rescence est due à un rayonnement ^{nucléaire ou}

à une radiation ultra-violette absorbée par ^le solvant. Ce dernier effet ^se manifeste sans doute

au cours de la

première étape

du transfert

d’énergie

et

pourrait

^{être dû à une} variation de la

proba-

bilité de recombinaison des radicaux libres créés par le rayonnement ^à

partir

des molécules du solvant

[3].

BIBLIOGRAPHIE

[1] ^LAUSTRIAT (G.) ^{et COCHE} (A.), ^J. Physique ^{Rad., 1958,} 19, 927.

[2] ^COCHE (A.) et LAUSTRIAT (A.), ^J. Physique Rad., 1959, 20, 719.

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[7] ^FUNT (B. L.), Nucleonics, 14, ^n° 8, ^83.

[8] ^BOWEN (E. J.) ^{et SAHU} (J.), ^J. Phys. Chem., ^{U. S.} A., 1959, 63, n° 1, 4.

[9] ^SELIGER (H. H.) ^{et ZIEGLER} (C. A.), Nucleonics, 1956, 14, ^n° 4, ^49.

SUR LA MODIFICATION DES

PROPRIÉTÉS

DES AIMANTS PRODUITE PAR LES EFFETS DE BORD.

CAS DES AIMANTS A CHAMP UNIFORME ET A GRADIENT DE CHAMP

Par R. BELBEOCH, ^{P. BOUNIN et G.}

PROCA,

Laboratoire de l’Accélérateur linéaire, Faculté des Sciences, Orsay.

Résumé. ²⁰¹⁴ Nous montrons que l’effet du champ ^{de bord dans un} aimant à entrefer constant est, très approximativement, ^le même que si l’aimant réel ^est remplacé par ^un aimant fictif parfait ^tel

que

~ H(z)

^{dz, compté sur une} perpendiculaire ^{à une} face, soit le même pour les deux aimants.

Ce résultat est généralisable ^{au cas} des aimants à gradient ^de champ, ^{mais à} partir d’expressions

un peu plus compliquées. ^Nous généralisons ^{à ces} aimants la construction graphique ^{de Cartan.}

Abstract. ²⁰¹⁴ We show that the fringe ^{field of a} constant-gap magnet gives nearly ^the _same

effect as if the magnet ^is replaced by ^a fictitious magnet ^such

that ~

^{U(z) dz, measured along a}

line perpendicular ^{to an entrance or an exit face, is the same for both magnets.}

This result may be generalized ^to n-type magnets, but with rather more complicated expressions.

We extend the Cartan graphical construction to these magnets.

LE JOURNAL DE PHYSIQUE ^ET LE RADIUM TOME 21, ^MAI 1960, ^pAGE 489a

1

Considérons ^un

spectromètre magnétique

^dont

l’entrefer est constant. Nous nous limiterons à l’étude des

trajectoires

^{dans le}

plan

^de

symétrie.

Si l’aimant créait un

champ

^{uniforme à}

l’intérieur,

s’annulant

brusquement lorsqu’on

^{traverse le}

plan

d’une face d’entrée ou de sortie, ^la

trajectoire

^d’une

particule

^{serait un arc de cercle}

^auquel

^{se raccor-}

deraient deux tangentes. ^En

réalité,

la décroissance

non instantanée du

champ lorsqu’on s’éloigne

^de

l’aimant fait _{que la}

trajectoire

^{ne se confond avec}

un cercle

(0, r0)

que bien ^à l’intérieur de l’aimant.

Il en résulte une modification des

propriétés

^du

premier

^{ordre du}

spectromètre : position

^des

f oyers

et des

plans principaux, dispersion,

^etc... (voir

fig.1 ).

On peut ^montrer que, ^{à une}

légère perturbation près,

^les

propriétés

de l’aimant réel, ^{avec effet de}

bord,

^{sont les mêmes} que celles d’un aimant fictif

parfait,

^{sans effet de}

bord,

^{dont les faces seraient}

situées en avant des faces réelles, ^{à une distance}

telle que

f H(z)

^{dz soit le même pour les deux}

aimants

lorsqu’on

^se

déplace

^{sur une}

perpendicu-

laire à une face (on suppose ^en

première approxi.

mation que les

lignes équichamp

^sont

parallèles

aux faces - lueur courbure éventuelle n’introdiiit que des modifications du second

ordre) (cf. [1]).