Chambre d'ionisation multicellulaire pour l'étude du faisceau de protons de 150 MeV du synchrocyclotron d'Orsay

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Chambre d’ionisation multicellulaire pour l’étude du

faisceau de protons de 150 MeV du synchrocyclotron

d’Orsay

X. de Bouard

To cite this version:

208 A.

CHAMBRE D’IONISATION MULTICELLULAIRE POUR L’ÉTUDE DU FAISCEAU DE PROTONS DE 150 MeV

DU SYNCHROCYCLOTRON D’ORSAY

Par X. DE

_BOUARD,

Laboratoire de

_Physique

Nucléaire, Faculté des Sciences, Orsay.

Résumé. 2014 Nous décrivons _une chambre d’ionisation multi-cellulaire

qui est utilisée pour

effec-tuer les _réglages de faisceau du _{synchrocyclotron d’Orsay.} Cette chambre se compose d’une

tren-taine de cellules obtenues par métallisation d’une feuille de mylar. Elle est utilisable dans une plage d’intensité allant de 106 à 1010

_{protons/cm2/s.}

Abstract. 2014 A multicellular ionization chamber is described which is used for beam

adjustments

of the _{Orsay synchrocyclotron.} This chamber consist of some _thirty cells obtained _{by metallizing}

a _mylar foil. It can be used in an _intensity range from 106 to 1010

protons/cm2/s.

LE JOURNAL DE PHYSIQUE ET LE RADIUM

PHYSIQUE APPLIQUÉE

SUPPLÉMENT AU NID 11.

TOME _22, NOVEMBRE 1961, PAGE

Lors de la mise au

point

du

synchrocyclotron

d’Orsay,

le

_problème

s’est

_posé,

_{pour les}

_réglages

de

_faisceau,

d’étudier un

dispositif qui

_permette

instantanément de connaitre la forme du faisceau en un

_point

donné de sa

_trajectoire

et de mesurer sa

répartition

en intensité. ~

Le

_{dispositif adopté}

est semblable à celui

_qui

a servi à l’étude du faisceau du cosmotron de Brook-haven

_{[1] :}

une chambre d’ionisation constituée par une série de

petites

cellules juxtaposées.

Le

courant

_produit

_par l’ionisation _{du gaz par} le fais-ceau est mesuré

_séparément

_{pour chacune d’elles.}

Le courant étant

_pulsé,

comme le faisceau du

syn-chrocyclotron,

à 480

_périodes,

il

_peut

être

_amplifié

en

alternatif,

ce

qui

_permet

l’utilisation de

préam-plificateurs simples

et _peu encombrants. Un contac-teur rotatif télécommandé

_prélève

successivement

le courant de

_chaque

_{cellule pour}

_l’envoyer

dans un

_{amplificateur qui}

se trouve dans la salle des mesures.

Étude.

- Nous

avons choisi comme _gaz à ioniser l’air à la

_{pression atmosphérique,}

ce

_qui

évite

l’emploi

de

_{parois épaisses}

et réduit

considérable-ment la

_quantité

de matière à

_placer

dans le faisceau. La distance

_qui

_sépare

les électrodes doit être aussi

_grande

_que

_possible,

de

_façon

à

_augmenter

la

quantité

de gaz

ionisé,

donc la sensibilité de la chambre. Cette distance est toutefois limitée _par

quatre

facteurs : le

_temps

de collection des

_ions,

qui

doit être inférieur au

_temps

qui sépare

deux

jets

de faisceau

_(2,2

10-3

_s)

_{pour que} le courant

recueilli

_puisse

être

_amplifié

en

_{impulsions ;}

la recombinaison des

_{ions ;}

la diffusion des

_{ions ;}

la

charge d’espace.

1. TEMPS DE COLLECTION DES IONS. - La

proba-bilité d’attachement des électrons à

_l’oxygène

est

de l’ordre de 50

_%

_par millimètre _{de parcours dans} les conditions choisies. Il faut donc tenir

_compte

de

tous les

_phénomènes

_pouvant

résulter de la

pré-sence d’ions

_négatifs.

Pour une distance entre électrodes de 1

centi-mètre,

et _pour un

champ

électrique

de 4 000

volts/

cm les

_temps

de collection des ions des deux

signes

sont inférieurs à 2 .10-4 s.

2. RECOMBINAISON DES IONS. - La densité

d’io-nisation de l’air le

_long

des

_trajectoires

de

_protons

de 150 MeV est très faible. La recombinaison en volume est donc seule à considérer.

La recombinaison ion-ion est

_négligeable

_jusqu’à

des intensités du faisceau de 101°

_{protons/cm2/s.}

3. DIFFUSION DES IONS. - C’est la

répartition

des ions à leur arrivée sur l’électrode collectrice

_qui

est mesurée. Pour

_{qu’elle reproduise}

aussi

fidèle-ment _que

_possible

la

_répartition

en intensité du

faisceau,

il faut _que la diffusion des ions dans une direction

_{perpendiculaire}

au

_champ

soit faible. Cette diffusion ne

dépend

ici que du

_temps

de collec-tion des ions. Elle est tout à fait

_{négligeable.}

4. CHARGE D’ESPACE. - Le

champ électrique

parasite

dû à la

_{charge d’espace}

est facile à calculer

dans notre cas où les électrodes sont

_parallèles

et

le

_champ

_électrique

uniforme. - 0

Il faut atteindre des intensités de faisceau de l’ordre de 1010

_{protons/cm2/s}

_pour

_qu’il

devienne

important.

209 A

Fabrication des électrodes. -- Les électrodes

sont des feuilles de

_mylar

de

_0,02

mm

d’épaisseur,

aluminisées,

faites de la

_façon

suivante. Une feuille de

_mylar

circulaire de diamètre utile 10 cm est

rivée sur un

_support

annulaire en

_plexiglass.

Sur

cette feuille on

_projette

une couche conductrice

d’aluminium par

vaporisation

sous vide. La forme

d’électrode désirée est obtenue à l’aide d’un cache :

une autre feuille de

mylar

dans

laquelle

est

découpé

le dessin à obtenir.

L’électrode de tension est aluminisée

unifor-mément. Sur l’électrode

_collectrice,

le dessin est

FIG. 1.

fait de

_petits

carreaux

juxtaposés,

formant avec

l’électrode de tension autant de

_petites

chambres d’ionisation

_{élémentaires,}

_d’égal

volume. A titre

d’exemple,

nous avons facilement réalisé ainsi une électrode

_comportant

30 cellules

(6 rangées

de

₅₎

de dimensions 7x7 mm,

séparées

par des intervalles de 1 mm

_{( fig. 1).}

Le groupe de carreaux est entouré d’une bande aluminisée reliée à la mass,e _{pour que} le

_champ

électrique

soit bien

_homogène

dans la

_région

de collection des

_charges.

Pour

_prélever

le courant sur

_{chaque cellule,}

nous avons

_projeté

de la même

_façon

des

conduc-teurs d’aluminium sur l’envers de la feuille de

mylar,

avec un cache

_approprié.

Le contact

élec-trique

entre

_chaque

carreau et le conducteur

corres-pondant

est réalisé à travers la feuille _par un trou

d’épingle

dans

_lequel

on a

déposé

une

_goutte

de solution colloïdale de

_{carbone. Chaque}

conducteur d’aluminium

_projeté

aboutit à une cosse-relai rivée sur le

_pourtour

de la feuille. Ce sont les difhcultés de réalisation de ce circuit

imprimé

au revers de la feuille

_qui

limitent le nombre des cellules et leur taille minima.

Tout ce circuit doit être isolé _pour ne _pas

recueillir de

_charges

dans

_{l’atmosphère}

ambiante très ionisée _{par la}

_présence

du faisceau. Cet

isole-nient est

_réalisé,

dans la

_partie

utile de

_{l’électrode,}

par une très mince feuille de

_mylar

(quelques

microns

_{d’épaisseur)}

pour limiter la

quantité

de

matière

_présente

dans le faisceau. A la

_périphérie

(sur

les cosses-relai

_etc...)

c’est une couche de para-fine

_qui

_remplit

ce rôle.

La

_quantité

de matière totale

_placée

dans le faisceau est de l’ordre de 10 ce

_qui

_permet

éventuellement

_d’y

laisser en _permanence la chambre

_pendant

une

_expérience.

Partie

_{électronique.}

- 1. PRÉAMPLIFICATEURS.

- Il faut réaliser

un nombre

important

de circuits

préamplificateurs

et

_{adaptateurs d’impédance (un}

par

cellule)

et les

placer

le

plus près possible

de la

chambre pour obtenir un bon isolement et une

faible

_capacité

_parasite.

Ces circuits sont câblés sur un chassis en forme de couronne

_placé

autour

de la chambre. L’encombrement

_permis

est donc limité.

FIG. 2. - Schéma d’un _{préamplificateur.}

Nous avons cherché à obtenir de ces

préampli-ficateurs un

_gain

suffisamment stable au cours du

temps

et

_{reproductible}

d’un circuit à l’autre _pour

ne _{pas avoir} à faire

d’ajustage.

Le

_montage

choisi

est un

_{amplificateur}

à deux

_étages,

rebouclé en continu de

_type

Miller. Son

_impédance

d’entrée mesurée est de 5 MQ

2).

Les sorties

_adaptées

sont reliées à un contacteur

rotatif télécommandé. Le courant à mesurer est

210 A

2. AMPLIFICATEUR. - Les

impulsions

sont

envoyées

dans un

amplificateur classique

dont le

gain

vaut 3 400. Le

_dispositif

de détection est

ana-logue

à celui utilisé dans les voltmètres à

_{lampes :}

la hauteur de

_{l’impulsion}

est transformée en niveau

continu ;

ce niveau est

_appliqué

à la

_grille

d’un tube dont on mesure la variation de courant

ano-dique.

Résultats. - 1.

ÉTALONNAGE

DE LA CHAMBRE.

-L’étalonnage

de la chambre a été fait dans le faisceau avec l’électrode de collection décrite

_plus

haut. L’écartement des électrodes était ici de

0,2

mm. Les courbes

_{caractéristiques}

ont été tracées pour différentes intensités de

faisceau,

en utilisant

une chambre d’ionisation à courant continu comme moniteur. Les courbes ne

_présentent

_{pas le}

_palier

habituel ;

ceci est dû sans doute au fait _que

_lorsque

la tension

_appliquée

_varie,

la vitesse de collection des

_ions,

donc la forme de

_{l’impulsion}

de

_courant,

varient

_également,

et cette

_impulsion

n’est

_plus

amplifiée

de la même

_façon

_par les circuits

élec-troniques.

La

_réponse

obtenue

_{expérimentalement}

est bien

proportionnelle

à _{l’intensité du faisceau pour} des

tensions

_appliquées

de

_quelques

centaines de volts

et _{pour des} intensités de

_quelques

108

_protons/

CM2/S.

2. UTILISATION. - La

répartition

de l’intensité suivant une _{coupe du} faisceau est

_{représentée}

par un tableau de

chiffres;

_chaque

chiffre mesure, en

valeur

relative,

l’intensité traversant la cellule dont il occupe la

place.

Par

_{exemple :}

Chaque

chiffre

_représente

ici l’intensité _moyenne

traversant un carré de

_0,7

cm de côté. 3. PRÉCISION. - Les deux

principales

sources d’erreurs sont : un écartement non constant entre

les

_électrodes,

et des

_capacités

_parasites

différentes

sur les

grilles

d’entrée de

_chaque

élément

préampli-ficateur. Leur effet

_global

_peut

être évalué à 20

_%.

A ceci il faut

_ajouter

une troisième cause

d’erreur,

non chiffrable a

_{priori :}

l’instabilité du faisceau

puisque

les lectures des différents courants ne sont

pas simultanées.

4. SENSIBILITÉ. - La

sensibilité de la chambre

est _{limitée par le} bruit de fond des

préamplifi-cateurs à environ 5.105

_{protons/cm2/s.}

Au delà de 101°

_{protons/cm2/s}

les conditions de la

satu-ration ne sont

_{plus réunies,}

et la

_réponse

n’est

_plus

proportionnelle

à l’intensité du faisceau.

Je remercie M.

_David-Boyer

dont l’aide et les conseils m’ont été très

_précieux

_pour la fabrication des électrodes. Je remédie

_également

M.

Monet-Descombey

et le Service

_{d’Électronique}

_Physique

du laboratoire

_qui

ont réalisé la

_{partie électronique}

de ce travail.

Manuscrit reçu le 15 juin 1961.

BIBLIOGRAPHIE

[1] BRAND et _SCHWARTZ, Rev. Sc. Instr., 1958, 29, 247.

LETTRE

A LA

RÉDACTION

CHAINE D’AMPLIFICATION LINÉAIRE

POUR DÉTECTEUR A JONCTION

Par J. C.

CALDERO,

R. FORZANI et J.

_SCHMOUKER,

Institut d’Études Nucléaires, Alger.

1. Introduction. - Les ensembles de

comptage

clas-siques

associés aux

_{photomultiplicateurs}

ne sont _pas

adaptés

à la

_{spectrométrie}

_par

_jonction.

En

_eflet,

ces

détecteurs

_exigent

un

appareillage électronique

devant

combiner à la fois un très faible

bruit,

un haut

_gain

stable et une insensibilité aux variations de

_capacité

du détecteur.

II. - Chaîne

d’amplification.

1. SIGNAL D’ENTRÉE.

- Toute

_{particule chargée}

traversant la zone de

_charge

d’espace

d’une

_{jonction polarisée}

en inverse

_produit,

par action

ionisante,

des

paires

électron-trou

qui

sont

balayées

par le

champ

de forte intensité

régnant

dans cette

_région.

A travers le circuit R-C constitué _par la

capacité

de la barrière de

_potentiel

et la résistance de

charge,

on recueille alors une

_impulsion

dont

l’ampli-tude _peut être directement reliée à

_{l’énergie perdue}

par la

particule.

Ainsi,

pour une

_jonction,

une _perte

d’énergie

d’environ

_3,5

eV sufht à libérer un électron

alors

_qu’il

faut 30 eV dans une chambre d’ionisation et