R3B-TPC

Objectifs :

 
Pour les expériences qui se feront dans la salle R3B de l’installation FAIR et qui nécessiteront la détection des états finaux des réactions nucléaires comprenant à la fois des fragments de noyaux & plusieurs particules chargées en aval de l’analyse magnétique fournie par l’aimant GLAD (voir la fiche-projet R3B-GLAD), la construction d’un nouveau détecteur multi-trace est nécessaire.
 
Le groupe spallation du service de physique nucléaire (SPhN) est impliqué dans deux projets d’expériences avec R3B qui nécessiteront la détection de tels états finaux :
-         l’étude de la spallation des noyaux lourds, comme le plomb-208 (208Pb) et l’uranium-238 (238U) en coïncidence et en cinématique inverse,
-         l’étude en coïncidence de la fission des actinides mineurs par excitation coulombienne dans le champ électrostatique d’une cible lourde.
 
L’objectif d’un tel détecteur multi-trace est triple :
-         détecter efficacement toutes les particules et les fragments chargés, des protons aux uraniums, c’est-à-dire sur une dynamique des signaux d’ionisation d’environ 1 : 104,
-         identifier la charge de chaque particule de façon non-ambiguë (à 1 GeV par nucléon d’énergie cinétique, un fragment nucléaire ne compte plus d’électrons dans son cortège atomique si bien que sa charge apparente, c’est-à-dire celle que mesure un détecteur, est égale à son numéro atomique, la charge du noyau),
-         déterminer précisément la géométrie des traces de ces particules et fragments dans les trois dimensions (deux angles et trois coordonnées) pour permettre la reconstruction de leurs masses et de la cinématique de la réaction dans la cible après inversion numérique du transport magnétique de l’aimant GLAD.
 
Ce triple objectif doit être atteint pour permettre la reconstruction complète, événement par événement, de la cinématique des réactions nucléaires. Une telle reconstruction est le point commun de presque toutes les expériences de la collaboration R3B quand bien même les domaines de physique nucléaire explorés peuvent être relativement différents. Cette reconstruction doit permettre de déterminer les caractéristiques du noyau excité, état intermédiaire entre l’état initial constitué du noyau cible et du projectile et l’état final, après désexcitation complète du système.
 
La construction d’un nouveau détecteur est rendue nécessaire par les caractéristiques du futur aimant GLAD. En effet, celles-ci (ouverture angulaire, pouvoir de courbure & dimensions physiques de l’objet) rendent les enveloppes des trajectoires des particules émises au point cible beaucoup plus grandes (en dimensions transverses) avec des angles plus grands par rapport à l’axe de symétrie de l’aimant GLAD que dans l’installation existante autour de l’aimant ALADIN (GSI, Cave C). Ainsi, le détecteur actuellement utilisé par le groupe spallation du SPhN, la chambre à projection temporelle MUSIC 4 (Link to KP3 web site), n’est pas adapté aux futures expériences dans la salle R3B.
 

Le concept de chambre à projection temporelle (time projection chamber, TPC en anglais) a été choisi, de manière identique à MUSIC 4, car c’est un type de détecteur dont la construction est relativement économique et dont les performances répondront relativement aisément aux spécificités requises par la physique à R3B. De plus, la souplesse d’utilisation d’une TPC permettra de répondre aux différents types d’expériences à R3B (aussi bien à haute qu’à basse multiplicité de particules dans l’état final).

 

Thèmes et programmes:


Innovation pour les systèmes de détection/Développements de détecteurs

 
Ampleur du projet :
 
-         Investissement : environ 600 k€ sur la durée du projet (4 – 5 ans)
-         Personnel : environ 15 h.an sur la durée du projet
 

CONTACTS

Responsable Scientifique: Jean-Eric DUCRET
Chargé d'évaluation TPC: Philippe Legou
 
R3B-TPC

Schéma de principe de la TPC & vue de sa partie active

INSTRUMENTATIONS

chambre à projection temporelle (TPC)

 

 

 

 

 

 Description technique

 

o       Volume actif : H = 90 cm, L = 120 cm, l = 120 cm (entrée) & 250 cm (sortie)
o       Dérive verticale, divisée en deux par une cathode mince qui générera le champ électrostatique de dérive des électrons primaires pour obtenir une meilleure résolution sur les coordonnées horizontales (le plan horizontal est le plan dispersif de l’aimant GLAD)
o       Amplification gazeuse par Micromegas (micro-grilles placées à une distance micrométrique de la collection de charge)
o       Collection de charge assurée par des pads de 1 cm de largeur et environ 13 cm de longueur sur 9 rangées dans le sens longitudinal
o       Nombre de pads : environ 5 000
o       Dynamique du signal primaire : 1 : 104 (dans le domaine d’énergie où la TPC sera utilisée, l’ionisation du gaz par les ions chargés se fait à vitesse constante des ions ; ainsi, le signal d’ionisation dépend essentiellement du carré de la charge de l’ion incident selon la formule de Bethe-Bloch
o       Cette grande dynamique sera prise en charge par deux types d’amplification ; ainsi, 5 rangées de pads auront une grande amplification gazeuse (pour la détection des fragments légers) et 4 auront une faible amplification (pour les fragments lourds) ; ceci limitera les contraintes sur l’électronique de codage
-         Une étude spécifique est en cours pour :
o       Déterminer l’influence de la transparence des micro-grilles
o       Produire un concept de dispositif réduisant le retour des ions positifs dans le volume actif du détecteur, ions dont la mobilité est très faible, qui s’accumulent dans le volume actif et qui réduisent les performances de ce type de détecteur, notamment en termes de résolution
-         L’électronique d’amplification choisie est une électronique discrète. Ce choix permet de découpler la fonction d’amplification de la fonction de codage. Il est rendu possible par le nombre relativement peu élevé de voies de lecture électronique et permettra une évolution technologique du détecteur, dictée par des nouvelles opportunités d’expériences. À l’aide d’une électronique discrète, nous pourrons aisément prendre en charge la grande dynamique des signaux primaires en assurant :
o       Des signaux rapides après amplification ce qui limitera les effets d’empilement des signaux et permettra de travailler à plus grande intensité de faisceau (le faisceau traverse le détecteur dans ce genre d’expériences)
o       Des faibles seuils de détection
-         Taux de comptage pour l’acquisition : 103 événements par seconde, maximum
-         Système de contrôle-commande du détecteur et de la pureté du gaz dont dépendent de manière critique son homogénéité, son efficacité et sa précision.

 

 

 

 

 

 

Maj : 29/09/2017 (2018)

 

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