Irfu
Vue de face d'un module MUST2 (surface active du Si-strips 10 par 10cm2).
L'ASIC (chip bleu visible dans le cadre) a pour dimension 6mm*6mm, il permet d'effectuer le traitement de 16 voies (préamplification, ampli, ampli rapide, discriminateur leading edge, TAC) multiplexées.
Objectif
Pour développer la compréhension de l'interaction Nucléon-Nucléon au sein de la matière nucléaire, les physiciens étudient la structure du noyau. Des informations essentielles pour le développement des modèles nucléaires sont obtenues par l’étude expérimentale des noyaux radioactifs de plus en plus éloignés de la vallée de stabilité, et notamment de ceux qui présentent des propriétés inhabituelles, les « exotiques ». On veut donc déterminer la spectroscopie de ces noyaux, elle est déduite de réactions nucléaires directes : les diffusions élastique et inélastiques sur proton (p,p’) pour explorer la structure et les états excités ; les réactions de transfert à un nucléon (p,d), (d,p), ou deux nucléons (p,t) qui donnent accès à la structure en couches à une particule des noyaux.
Pour mener ces réactions en cinématique inverse avec des faisceaux de noyaux radioactifs sur des cibles de proton ou deuton, il faut mesurer la particule de recul produite. Le premier dispositif était MUST (en service depuis 1999) un ensemble de télescopes pour la détection de l’énergie, de la position, du temps de vol et l’identification de ces particules légères (p,d,t,3,4He …) avec une bonne résolution en énergie et en temps.
Le projet MUST2 a eu pour objectifs de développer un nouvel ensemble en vue d'améliorer la couverture angulaire, la granularité et les résolutions ainsi que de permettre le couplage avec des détecteurs de particules gamma comme Exogam, situé autour de la cible de réaction. Cela inclut la construction du détecteur, la définition et la réalisation de son électronique, le couplage avec l’acquisition GANIL.
La compacité de l’électronique a été assurée par le développement d’une électronique de type ASIC.
Localisation La construction et la réalisation ont été opérées par l'IRFU (ASIC Mate : Must2 AsicTemps et Energie ), le GANIL (acquisition), et l’IPN (détection SiLi).
Localisation pour les expériences : utilisation du détecteur pour des mesures avec des faisceaux dont la gamme d'énergies est de 10 à 100 MeV/nucléon délivrés par l’accélérateur du GANIL (faisceaux radioactifs produits par fragmentation ou avec le dispositif SPIRAL).
Le détecteur peut également être emmené auprès d’autres accélérateurs comme RIKEN au Japon, le FLNR de Dubna en Russie ou MSU (Etats-Unis).
Collaboration
équipes de structure nucléaire de l'IRFU/SPhN, de l'IPN-Orsay et du GANIL, en collaboration avec les services techniques des laboratoires : IRFU/SEDI, GANIL groupe d'électronique et d'informatique, service d'électronique et détection de l'IPN-Orsay.
Vue de 6 télescopes MUST2 disposés pour couvrir les angles "avant" (10 à 60 degrés par rapport à l'axe faisceau dans le repère du laboratoire) et détecter ainsi les particules légères produites dans les réactions directes de transfert d'un ou deux nucléons en cinématique inverse ; par exemple les réactions sur cible de proton, (p,d) et (p,t).
Spectroscopie de noyaux exotiques par des réactions nucléaires directes induites par les faisceaux radioactifs.
L’identification en masse et charge des produits de réaction légers (p,d,t,3,4He) et la mesure de leur énergie à bas seuil et grande dynamique assure la reconstitution de la cinématique.
Ces mesures de réactions permettent les études de déformation (et des autres formes de collectivité) ainsi que la détermination des orbitales des nucléons individuels dans les noyaux exotiques.
Instruments
Le dispositif MUST2 est constitué de 6 télescopes, chacun composé d’un premier étage de Si double face à 128 strips X et Y, carrés de grande surface (100 cm²), suivi d’un étage de Si (Li) segmenté (2 pads de 2 x 4) de 4,5 mm et d’un CsI additionnel [CsI segmenté 4 x 4, d'épaisseur 1,5 cm].
MUST2 peut fonctionner en autonome, avec un détecteur de faisceau fournissant une référence en temps de vol, et également couplé à une détection de particules gamma (EXOGAM) ou un spectromètre pour la détection du partenaire lourd de la réaction (VAMOS ou SPEG au GANIL)
La compacité est obtenue grâce à l'électronique front-end ultra-compacte à base d'ASIC qui permet de réduire l'encombrement de l’ensemble des télescopes et de l’électronique embarquée dans la chambre à réaction.
Spécificités
Grâce à sa bonne granularité et à sa grande couverture angulaire le multi-détecteur MUST2 permettra des études précises des corrélations de clusters émis dans les réactions de cassure par la mesure en coïncidence dans plusieurs détecteurs des fragments chargés légers, p,d,t,3,4He.
L’identification des particules chargées légères par corrélation entre la perte d’énergie et la mesure du temps de vol de la particule entre MUST2 et un détecteur de faisceau permet de mener des réactions où le noyau produit est dans un état excité non lié : comme la cinématique est reconstruite par la mesure du partenaire léger, il est possible par masse manquante de déduire le spectre en énergie d’excitation du noyau en voie de sortie. Cette mesure d’états nucléaires non liés est un atout unique, à ce jour, de MUST2.
Vue éclatée des 3 étages du télescope MUST2.
Contribution de l'Irfu
Responsabilités scientifiques et techniques L'IRFU a eu en charge la direction du projet scientifique en collaboration avec le GANIL et l’IPN (un responsable scientifique par laboratoire) et la responsabilité technique de la conception et du développement de l’ASIC qui réalise les fonctions électroniques majeures du dispositif : mesures du temps (stop commun) et de l’énergie par voie (16 voies par ASIC MATE, ensemble de 2 x 128 voies par télescope). Trois physiciens du SPhN ont été impliqués dans la définition et la caractérisation du Si (strips), la définition de l’acquisition, du contrôle commande de MUST2.
Contacts:
Etats et perspectives
Dates importantes
définition du cahier des charges par la collaboration à la mi-2001 , passage devant le comité de réalisation IRFU.
Fin 2001 : Définition de la géométrie du front-end et de l’électronique ASIC (IRFU) ainsi que des cartes associées ;
Juin 2002 : 1ère Soumission de l'ASIC par l'IRFU, tests et caractérisations de l'ASIC
Fin 2002 : cahier des charges de la mécanique, des détecteurs Si, Si(Li), CsI.
Premier télescope, strips et toute l'électronique ASIC, opérationnel sur banc de test pour une utilisation sous faisceau prévue en mars 2004.
Premiers tests sous faisceau au GANIL en mars 2004.
Expérience de mesures des réactions 8He (d,d’) (d,4n) avec l’ensemble MUST et un module MUST2 en septembre-octobre 2004.
Ensemble de 4 modules MUST2 disposés en configuration mur dans
la chambre à réaction de SPEG au GANIL. Une source 3-alphas est placée au niveau du porte-cible pour effectuer des calibrations en énergie.
Mars-Juin 2007 : campagne d'expériences avec MUST2
Avec le dispositif expérimental comprenant 5 modules MUST2 et les détecteurs de faisceaux CATS sur l'aire SPEG :
E525S Low-lying states of 6He via 2 neutron-transfer of 8He on proton
Expérience avec le faisceau SPIRAL d’8He (@15.6 A.MeV) porte-parole : IRFU.
E473S Spectroscopy of 9He via 8He(d,p)
Expérience avec le faisceau SPIRAL d’8He (@15.6 A.MeV) ; porte-paroles : GANIL-IRFU.
Avec un dispositif avec 6 modules MUST2, les détecteurs de faisceaux CATS, et un ensemble de télescopes de RIKEN :
E537 Low-lying structure in 12O and shell quenching at Z=8 studied by the (p,t) reaction with MUST2 (14O(p,t)12O) ;
réalisée avec le faisceau secondaire produit par fragmentation (dispositif SISSI) d’14O (@ 50 A.MeV) ;
porte-parole : IPN-Orsay.
Dispositif expérimental pour les mesures de réactions directes dans la chambre à réaction de l'aire SPEG :
6 modules MUST2 sont situés autour de l'emplacement du porte-cibles (gauche de la photo). Le faisceau entre dans la chambre sur la droite de la photo
(le 2ème détecteur de faisceau CATS implanté dans la chambre est visible à droite)
Bilan scientifique et technique
Les tests sous faisceau début 2004 et la campagne de 2007 ont confirmé les excellentes performances de MUST2.
Détection opérationnelle pour des campagnes d’expériences visant à explorer la spectroscopie des faisceaux SPIRAL et futurs faisceaux SPIRAL2.
Faits marquants Définition d’un ASIC Temps et Energie de seuil en énergie très bas (200 keV), pour la première fois développé pour la détection en physique nucléaire de basse énergie.
Perspectives
Couplage des détections MUST2 + EXOGAM + VAMOS dans des réactions de transfert (d,p) (d,3He) d’exploration de la structure en couches de noyaux exotiques.
Prochaines expériences de septembre à novembre 2007 :
-Single-particle energies in neutron-rich Oxygen isotopes
Spectroscopie du noyau d’21O [Réaction 20O(d,p)] avec le faisceau SPIRAL d’20O
Le dispositif inclura deux ensembles de détecteurs de particules chargées, TIARA (détecteur de la collaboration anglaise) et MUST2 [pour la détection aux angles avants des réactions (d,t) et (d,3He)], les détecteurs de faisceau CATS, le spectromètre VAMOS pour l’identification du partenaire lourd de la réaction, éjecté à l’avant, en coïncidence avec le spectromètre de particules gamma EXOGAM.
Les tests et calibrations des détecteurs, la mise en œuvre du couplage des différents systèmes d’acquisition, et les contrôles des mesures en coïncidence seront effectués durant les mois de septembre et d'octobre. La prise de données interviendra durant la première moitié de novembre.
Futurs projets
La détection MUST2 est novatrice en physique nucléaire de basse énergie pour son électronique compacte d'ASIC codant les signaux d'énergie et de temps. Elle constituera la première étape pour concevoir l'électronique générale front-end des futurs détecteurs de particules. Ceux-ci font partie de l'instrumentation nécessaire aux programmes expérimentaux qui seront menés avec les faisceaux du projet SPIRAL2, prévu pour être l'accélérateur de faisceaux radioactifs intenses au GANIL à l'horizon 2014.
maj : 01-12-2009 (2692)
