LOCALISATION BIDIMENSIONNELLE DES POSITIONS DES TRAJECTOIRES DE PARTICULES DANS DES CHAMBRES PROPORTIONNELLES AVEC UNE GRANDE RÉSOLUTION SPATIALE ET TEMPORELLE

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LOCALISATION BIDIMENSIONNELLE DES

POSITIONS DES TRAJECTOIRES DE PARTICULES

DANS DES CHAMBRES PROPORTIONNELLES

AVEC UNE GRANDE RÉSOLUTION SPATIALE ET

TEMPORELLE

G. Charpak, A. Policarpo, A. Petersen, F. Sauli, J. Santiard

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JOURNAL DE PHYSIQUE Colloque C3, supplément au n° 6, Tome 39, Juin 1978, page C3-7

LOCALISATION BIDIMENSIONNELLE DES POSITIONS DES TRAJECTOIRES

DE PARTICULES DANS DES CHAMBRES PROPORTIONNELLES AVEC

UNE GRANDE RÉSOLUTION SPATIALE ET TEMPORELLE

G . C H A R P A K , A . P O L I C A R P O , A . P E T E R S E N , F . S A U L I e t J. C . S A N T I A R D

C . E . R . N . , G e n è v e , Suisse

Résumé. — En mesurant le centroïde des distributions de charges introduites sur des bandes de cathode perpendiculaires et parallèles aux fils d'anodes il est possible d'aboutir à une méthode de localisation présentant des avantages considérables.

— Le temps de résolution, peut être réduit à 30 nanosecondes.

— La mesure de la coordonnée le long des fils a une précision limitée simplement par la distribution physique des charges. La contribution de la méthode de lecture est inférieure à 7 microns.

— La coordonnée perpendiculaire aux fils peut être plus précise que la séparation entre les fils même pour les trajectoires orthogonales au plan des chambres.

— Les ambiguïtés relatives aux trajectoires multiples peuvent être levées dans la majorité des cas avec une seule chambre.

— La mesure simultanée des coordonnées de nombreuses trajectoires est possible avec un pouvoir de séparation de l'ordre de 0,5 cm.

Abstract. — By measuring the centroid of the charges induced on cathods of MWPC two dimensional localization can be obtained with advantageous properties.

— Resolution time of 30 ns

— The accuracy of the coordinate along the anode wires is limited only by the physical fluctuations in the centroid position. The read out contributes by 7 \xm at most to the errors.

— Interpolation between the anode wires is obtained over a wide angular range.

1. I n t r o d u c t i o n . — L e s a v a l a n c h e s p r o d u i t e s sur les fils d ' a n o d e s d e s c h a m b r e s p r o p o r t i o n n e l l e s induisent d e s c h a r g e s positives s u r les é l e c t r o d e s voisines d u fil d é t e c t e u r . Si ces c h a r g e s sont collect é e s p a r d e s b a n d e s c a collect h o d i q u e s o u d e s fils c a collect h o d i -q u e s , il était c o n n u d è s l'origine d e s c h a m b r e s p r o p o r t i o n n e l l e s q u e le c e n t r o ï d e d e la distribution d e s c h a r g e s induites coïncidait, e n p r e m i è r e a p p r o x i -m a t i o n , a v e c la p r o j e c t i o n d u c e n t r e d e l ' a v a l a n c h e sur le p l a n d e m e s u r e [1]. Ceci p e r m e t la m e s u r e d e s d e u x c o o r d o n n é e s d ' u n e a v a l a n c h e e n utilisant d e s fils ou d e s b a n d e s d ' a n o d e a y a n t d e s o r i e n t a t i o n s différentes. D e n o m b r e u x t r a v a u x a y a n t e n v u e e n général la m e s u r e d e s p o s i t i o n s d e r a y o n n e m e n t s n e u t r e s , -y ou n e u t r o n s , o n t p e r m i s la m i s e au point d e m é t h o d e s analogiques p e r m e t t a n t d ' o b t e n i r a v e c p r é c i s i o n la c o o r d o n n é e parallèle a u x fils d ' a n o d e . C e s m é t h o d e s r e p o s e n t e n général sur les r e t a r d s d e p r o p a g a t i o n d a n s d e s é l e c t r o d e s spéciales o u d e s différences d ' i n t e n s i t é s d e c h a r g e s collectées a u x e x t r é m i t é s d ' é l e c t r o d e s p r é s e n t a n t u n e i m p é d a n c e finie. L e s m é r i t e s respectifs de c e s m é t h o d e s s o n t a n a l y s é e s e n détail p a r R a d e k a [2]. L e m é r i t e c o m m u n à t o u t e s c e s m é t h o d e s a n a l o g i q u e s e s t d ' a v o i r m o n t r é q u ' u n e p r é c i s i o n r e m a r q u a b l e , d e l ' o r d r e d e 100 p,m, p o u v a i t ê t r e a t t e i n t e d a n s la d é t e r m i n a t i o n d e la position d u c e n t r o ï d e électrique d ' u n e a v a l a n c h e le long d e s fils d ' a n o d e . L e u r précision e s t e n général limitée à u n e valeur c o m p r i s e e n t r e 10~2 e t 10~3 d e la l o n g u e u r t o t a l e de l ' é l e c t r o d e . Ceci e x p l i q u e q u e p o u r les c h a m b r e s de grande taille c o u r a n t e s e n p h y s i q u e d e s h a u t e s énergies leur intérêt ait é t é limité. L e t e m p s d e r é s o l u t i o n d e t o u t e s c e s m é t h o d e s e s t é g a l e m e n t m é d i o c r e , d e l ' o r d r e d e la m i c r o s e c o n d e , ce qui constitue u n e d é g r a d a t i o n d ' u n o r d r e o u d e u x o r d r e s d e g r a n d e u r s d e la résolution intrinsèque d e s c h a m -b r e s p r o p o r t i o n n e l l e s . P o u r u n e c h a m b r e d é t e c t a n t d e s r a y o n s X n o u s a v o n s m i s au p o i n t u n e m é t h o d e d e l e c t u r e d i r e c t e du c e n t r o ï d e d e s a v a l a n c h e s [3]. Puis n o u s a v o n s étudié l ' a d a p t a t i o n d e c e t t e m é t h o d e à la p h y s i q u e d e s particules e t a v o n s mis e n é v i d e n c e d e s c a r a c t é -ristiques p a r t i c u l i è r e m e n t i n t é r e s s a n t e s d a n s ce d o m a i n e e t d é c r i t e s e n détail p a r ailleurs [4].

2. L a méthode d u centroïde d a n s la localisation des particules chargées. — L o r s q u ' u n e a v a l a n c h e s e p r o d u i t a u t o u r d u fil d ' a n o d e a (Fig. 1), d e s a v a l a n

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C3-8 G. CHARPAK, A. POLICARPO, A. PETERSEN, F. SAULI E T J. C. SANTIARD

C) La précision spatiale est peu altérée pour les

traces inclinées car la largeur étroite d e la porte permet de ne collecter que les électrons produits très près du plan d'anode (< 1,s mm par exemple pour 30 ns de largeur de porte).

d) La résolution est quasi indépendante de la dimension des chambres car les mesures effectuées pour le calcul du centroïde d e charge sont localisées dans un maximum de 5 bandes.

Nous avons poursuivi les travaux pour déterminer la précision ultime que l'on pourrait atteindre par cette méthode et ce sont quelques-uns des résultats obtenus que nous voulons présenter à cette confé- rence.

FIG. 1.

-

Détermination des coordonnées d'une avalanche par les signaux induits sur les électrodes voisines. La hauteur des impulsions induites est mesurée et stockée et le centroïde calculé. Les deux cathodes sont faites de bandes parallèles et orthogona-

les aux fils d'anode.

ches sont induites dans les fils voisins, b, et c, e t sur les bandes de coordonnées xi et yi, où i désigne le numéro d'ordre des différentes bandes,

x

est paral- lèle et y est orthogonal aux fils d'anode.

Lorsqu'un signal est produit sur le plan d'anode les signaux X, et Y , recueillis et amplifiés sur les bandes xi et yi sont, après un délai contrôlé par des lignes à retard, acceptés ou refusés dans un convertisseur d'amplitude digital et l'information sur leur hauteur stockée dans un ordinateur (Fig. 1).

Nous nous sommes efforcés d'étudier quelle était la taille minimum de la porte d'entrée dans le convertisseur compatible avec une bonne résolution spatiale.

Nous avons observé qu'avec une porte de 30 ns et un amplificateur de faible coût (') une précision considérable pouvait être obtenue dans la détermina- tion de la position spatiale des trajectoires de particules au minimum d'ionisation.

Nos résultats peuvent être résumés ainsi :

a) La résolution de la position le long du fil est bien meilleure que 200 pm en largeur totale à mi-hauteur (LTMH).

b ) Pour des traces inclinées par rapport au plan des chambres la résolution spatiale pour la coordon- née perpendiculaire aux fils d'anode est meilleure que celle qui est déterminée par la distance entre les fils. Il est possible d'interpoler entre les fils dans une grande gamme angulaire. On dispose ainsi, avec un seul plan anodique, d e chambres de haute précision bidimensionnelles.

(') Amplificateur type 1148, réalisé par AIcatel, Paris. Bruit à l'entrée : 2 x coulomb.

3. Mesures de haute précision sur la position des avalanches.

-

3.1 AMPLIFICATION GAZEUSE MODÉ- RÉE. - Nous avons utilisé une amplification gazeuse modérée voisine d e IO4, pour laquelle les chambres sont loin des conditions de saturation par effet de charge d'espace. Dans ces mesures nous avons irradié les chambres avec des rayons X, provenant de l'excitation de la couche K de l'alumi- nium, d'énergie voisine de 1,4 keV. Cette énergie est voisine de la perte probable de particules relativistes dans 1 cm d'argon. Elle conduit donc aux mêmes conditions de gain des chambres et de l'électronique qu'avec ces particules.

Cette énergie est également voisine de celle des rayons S qui accompagnent ces trajectoires et qui sont responsables de la limitation que l'on peut attendre dans la précision des mesures de position des trajectoires dans les gaz.

Le parcours des photoélectrons produits par ces rayons X dépend des gaz. Nous avons effectué des mesures dans des mélanges à la pression atmosphéri- que d'argon, isobutane et méthylal, avec ou sans fréon, et également en remplaçant l'argon par le xénon pour réduire le parcours des photoélectrons, qÙi dans ce cas est de l'ordre de 30 pm seulement. Nous avons mesuré, pour chaque photon X détecté sur un fil d'anode a, les impulsions Xi et Yi et également les impulsions

B

et C sur les fils voisins b et c.

Certains de nos résultats ont été assez inattendus. Ils montrent qu'il est possible de déterminer avec une précision de quelques degrés l'azimut des cen- troïdes des avalanches produites au voisinage d'un fil. La figure 2 montre la distribution des points obtenus lors d'une irradiation uniforme, dans un diagramme où l'abscisse est le rapport B/Centre les impulsions induites sur les fils voisins et où I'ordon- née est le rapport entre les charges totales induites sur les deux cathodes, X/ Y = ZXi/ZK.

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LOCALISATION BlDIMENSIONNELLE DES POSITIONS DES TRAJECTOIRES DE PARTICULES C3-9

FIG. 2. - Distribution du centroïde des ions positifs pour une irradiation uniforme : gaz : xénon

+

isobutane

+

méthylal ; rayons X : 1,5 keV. a) Irradiation uniforme avec beaucoup de xénon. b ) Irradiation uniforme avec peu de xénon. On voit nettement l'effet sur les différences d'absorption des deux

moitiés de la chambre de part et d'autre des fils d'anode.

obtenu en mesurant B/C. ~ 1montre que la résolu- 1 ~ FIG. 3.

-

Distribution du centroïde des ions positifs pour des faisceaux parallèles aux fils : même gaz ; rayons X de 5,9 keV. tion spatiale obtenue dans l'inter~olation des ~ o s i - _{Collimateur de 100 Pm, 3 positions de faisceau distantes de} tions entre les fils est voisine de a = 150 Pm. La 500 pm sur le fil et de part et d'autre du fil. a) Y/X en figure 4 montre les distributions de la coordonnée fonction de B / C . b ) Les mêmes événements sur un histogramme parallèle à un fil avec faisceaux distants en _{(centroïde projeté sur le plan mesurant la coordonnée}B / C . C ) Les mêmes événements sur un histogramme en X' _X. de 200 Pm. On voit que la résolution est de

Cette précision est limitée par le parcours des photoélectrons et non pas par la méthode de lecture comme on va le voir. Il nous a semblé intéressant de réaliser une image bidimensionnelle en rayon X, avec un masque dont la taille était plus petite que la distance entre les fils d'anode. On voit ainsi, pour la

Ceci peut présenter un intérêt considérable pour les applications où l'on veut une très grande résolu- tion spatiale avec des rayons X d'énergie voisine de 1 keV, ce qui est le cas dans certains problèmes en astrophysique.

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C3-10 G. CHARPAK, A. POLICARPO, A. PETERSEN, F. SAULI ET J. C. SANTIARD

FIG. 4. - Réponse continue bidimensionnelle. Lettres percées dans un écran d e cuivre. Hauteur totale 1.5 mm. Largeur 4 mm. Fentes d e 50 Pm. Rayons X d e 1,s keV. Distance entre fils anodiques 2 mm. L a totalité de l'image est obtenue sur un seul fil.

FIG. 5. -Précision dans la coordonnée parallèle au fil. Rayons X d e 1,5 keV. Collimateurs d e 10 k m distants de 200 km. Mélange xénon

+

isobutane

+

méthylal a= 35 km. En remplaçant le

xénon par l'argon u = 45 Pm.

courantes en physique des hautes énergies. On sait que dans ces conditions le fonctionnement n'est plus en régime proportionnel. Il y a un effet de saturation de la hauteur des impulsions sous l'influence de la charge d'espace.

Les diagrammes 6b et 6 c montrent que les cen- troïdes de distribution spatiale de l'avalanche se resserrent sur le fil. Il y a probablement une propagation de l'avalanche autour du fil et une propagation simultanée limitée le long du fil.

Si on mesure le centroïde des avalanches le long du fil on trouve d'ailleurs dans ce cas une dégrada- tion qui montre que le fonctionnement avec le gaz

magique n'est pas favorable aux mesures de haute précision (a< 100 pm).

Le fonctionnement en gaz magique est un fonctionnement du type Geiger, mais avec une limitation

FIG. 6. - Effet du facteur d'amplification. a) Mêmes conditions que figure 3 avec argon. b) Gaz magique - amplification

modérée. c) Gaz magique

-

amplification saturée.

de la propagation le long du fil, similaire à celui qui a été observé d e façon plus nette avec des fils de diamètre plus gros (- 100 pm), où la propagation atteint quelques millimètres [5].

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LOCALISATION BIDIMENSIONNELLE DES POSITIONS DES TRAJECTOIRES DE PARTICULES C3-11 centroïde des avalanches on note une distribution

étroite (Fig. il), qui correspond à une précision u = 7 ym.

FIG. 7.

-

Limite supérieure de la précision de la détermination des coordonnées par la méthode du centroïde. Gaz magique. Evénements sélectionnés pour un rapport B / C donné. Distribu- tion des centroïdes dans la direction orthogonale aux fils.

Cette mesure donne la limite supérieure des imprécisions introduites par notre système expéri- mental. La majeure partie de cette erreur vient du bruit introduit par notre amplificateur qui est

IO4

charges électroniques à l'entrée. Une améliora- tion considérable serait aisée si elle s'avérait néces- saire pour la mesure de la position spatiale des

phénomènes dont la localisation aurait une significa- tion à ce niveau de précision.

Pour les phénomènes dont la localisation nous intéresse au premier chef, à savoir la position des trajectoires de particules relativistes nous pensons que la limitation de précision, au voisinage de 30 Pm, viendra des phénomènes physiques intrinsè- ques tel que le parcours des rayons 6. Dans une chambre d'épaisseur d'un cm environ 5 % des traces donnent lieu à un rayon 6 de parcours supérieur à 50 ym. Toutefois, avec des particules très ionisantes la situation est totalement différente et des préci- sions au niveau du micron pour le centroïde sont peut-être possibles.

4. Conclusion.

-

iqous avons montré qu'avec des méthodes simples il était possible de mesurer avec une précision voisine de quelques microns, la position spatiale des avalanches produites autour d'un fil d'anode de chambre proportionnelle.

La précision des mesures est en général limitée par les fluctuations physiques liées au phénomène étudié. Pour des particules très ionisantes, comme les ions lourds, il est probable que des progrès considérables dans la précision sont possibles par la méthode du centroïde.

Nous avons également montré qu'il était possible de mesurer dans certains cas la coordonnée de particules entre les fils d'anode d'une chambre sans qu'il y ait partage des électrons d'ionisation entre plusieurs fils. Ceci permet d'obtenir un détecteur bidimensionnel ayant une réponse quasi continue.

Bibliographie

[l] CHARPAK, G . , RAHM, D. and STBINER, H., Nucl. Instrum. POLICARPO, A., SAULI F. and SANTIARD, J. C., Nucl.

Methods 80 (1970) 13. Instrum. Methods 143 (1977) 29-39.

[2] RADEKA, V., IEEE Trans. Nucl. Sci. NS21(1974), No. 1,51. [5] BREHIN, S . , DIAMANT BERGER, A., MAREL, G., TARTE, G., [3] CHARPAK, G., HAJDUK, Z., JEAVONS, A., STUBBS, R. and TURLAY, R . , CHARPAK, G. et SAULI, F., Nucl. Instrum.