Le Département d'Électronique des Détecteurs et d'Informatique pour la Physique

La tomographie muonique

Des particules très énergétiques produites aux quatre coins de l’Univers bombardent la Terre en permanence. L’énergie phénoménale de ces particules peut atteindre 10 millions de fois celle des protons accélérés au LHC du Cern. Heureusement pour le développement de la vie, l’atmosphère terrestre joue le rôle d’un bouclier protecteur dans lequel ces particules vont initier des cascades de réactions, appelées gerbes cosmiques. Ces réactions donnent naissance à des particules, les muons, qui sont suffisamment pénétrantes pour arriver jusqu’au sol. C’est ainsi qu’une pluie continue et invisible de muons nous traverse à chaque instant, à raison de un par seconde dans une main à l’horizontal (un peu plus pour une main de basketteur). Le flux de muons est modulé selon l’angle d’observation, il est en particulier maximal au zénith et nul à l’horizon. Outre cette dépendance bien connue, le flux est aussi déterminé par la quantité et la densité de matière présente dans la ligne de visée. Un flux de muons faible signalera par exemple la présence d’un objet épais et/ou dense. La mesure de ce flux permet donc d’imager une structure en densité, c’est le principe de la tomographie muonique. Là où la photographie ne voit que la partie superficielle d’un objet, la muographie peut percer un volcan, un mur ou autre blindage. Ses applications sont donc nombreuses : volcanologie, hydrologie, prospection minière ou archéologique, contrôle aux frontières, voire génie civil. L’utilisation de cette technique requiert en revanche des détecteurs robustes, de grande taille et de très grande précision, ce qui a longtemps empêché son développement.

Un télescope muonique avec des Micromegas

Depuis de nombreuses années, le Sédi développe des détecteurs toujours plus performants destinés aux expériences de physique nucléaire et de physique des particules. Parmi eux, le Micromegas est un détecteur gazeux à micro-pistes qui allie une excellente résolution spatiale (environ 0,1 mm) et un coût de revient compétitif. Il équipe déjà de nombreuses expériences à travers le monde, et a connu en 10 ans plusieurs améliorations significatives tant sur sa fabrication (technologie bulk, 2006) que sur sa robustesse (pistes résistives, 2010). En 2012, un concept de multiplexage a permis de réduire considérablement la quantité d’électronique nécessaire, diminuant du même coup son prix et sa consommation. Il est désormais possible de combiner tous ces ingrédients, et de fabriquer des grands Micromegas de 50 cm x 50 cm, 2D, résistifs et multiplexés. Leur caractérisation en labo a montré des niveaux d’efficacité de plus de 97% en 2D, et 4 d’entre eux sont utilisés en continu depuis plus d’un an pour tester les nombreuses exportations de Micromegas de l’Irfu : Clas12 (USA), Minos (Japon), M-Cube, Compass, Asacusa et bientôt NSW (CERN).

Ces détecteurs innovants ont des résolutions spatiales très largement supérieures aux détecteurs utilisés actuellement dans des expériences de tomographie muonique, et plusieurs simulations sont venues confirmer ce potentiel dans différentes configurations (scan d’un container, imagerie du sol ou d’un volcan). En revanche, ces applications nécessitent un environnement particulièrement hostile et nouveau – l’extérieur – pour des détecteurs habitués aux atmosphères chaleureuses des halls expérimentaux. Un petit télescope constitué de 4 détecteurs 2D a donc été mis au point et installé au pied du château d’eau du Centre de Saclay dans le but de démontrer les capacités des Micromegas pour l’imagerie muonique. Il est équipé d’un PC format carte de crédit (carte Hummingboard) pour l’acquisition et le stockage des données, ainsi que le pilotage des hautes tensions. Ces hautes tensions sont délivrées par des modules miniatures sur 12 V intégrés sur une carte réalisée au Sédi. L’électronique DREAM est celle développée pour le projet Clas12 et utilise les signaux des détecteurs pour le déclenchement de la lecture (mode auto-trigger). L’ensemble du dispositif ne consomme que 25 W. Une petite bonbonne de 20 L complète le dispositif et assure une autonomie en gaz de près de 2 mois. Le télescope est actuellement branché sur secteur, mais sera dans un second temps mis sur batterie pour valider son fonctionnement 100% autonome.

Résultats et perspectives

Les premières mesures ont révélé que l’efficacité du dispositif, c’est-à-dire la probabilité de reconstruire un muon traversant le télescope, fluctuait significativement entre le jour et la nuit, et plus précisément avec la température. Contrairement au fonctionnement en labo, des écarts de température de plus de 30°C ont été enregistrés, modifiant notablement le gain et donc l’efficacité des détecteurs. Une régulation des hautes tensions vis-à-vis de la température a été mise en place, permettant de stabiliser considérablement l’efficacité globale, aux alentours de 90%. De plus petites variations, attribuées cette fois à la pression, sont encore observées, et seront bientôt corrigées.

La simple reconstruction de la trajectoire des muons dans le plan du château d’eau fournit la muographie de la structure, visible sur la figure 1.  Contrairement à une photographie, la muographie n’a pas un éclairage homogène, car la distribution angulaire des muons n’est pas uniforme. On distingue malgré tout plusieurs détails sur l’image brute, ainsi que l’eau dans la partie inférieure de la cuve qui entraîne un déficit en muons de l’ordre de 50%. 

Un suivi dynamique a également été effectué en étudiant les variations du flux de muons traversant la cuve, visibles sur la figure 2. Malgré la petite taille de ce télescope, la vidange de la cuve est détectée en seulement quelques heures (augmentation du flux de muons associée), et montre que la sensibilité de l’instrument correspond aux simulations effectuées.

Ces résultats très encourageants ouvrent de nombreuses perspectives d’applications. Plusieurs contacts ont déjà été noués avec des volcanologues et les Monuments Historiques dans le but de réaliser un télescope de 1 mètre carré doté d’une autonomie de plusieurs mois pour sonder un édifice volcanique ou un site archéologique. La possibilité de réaliser des détecteurs cylindriques est également envisagée pour la prospection minière.

Contacts :Simon Bouteille (doctorant), Sébastien Procureur (Irfu/SPhN), David Attié (Irfu/Sédi)