Cadre du projet
Le projet BTD s’inscrit dans le cadre d’expériences de spectroscopie des noyaux radioactifs par rayonnements g et particules légères au GANIL essentiellement avec les faisceaux SPIRAL puis SPIRAL2. Ces expériences ont pour but d’étudier la structure des noyaux exotiques de façon à mieux comprendre les interactions qui lient les protons et les neutrons au sein du noyau et les effets correspondant à différents modes d’excitation. Notamment la variable de l’isospin (nombre de neutrons par rapport au nombre de protons) dans les noyaux exotiques peut prendre des valeurs très grandes par rapport aux isotope(s) stable (s). Cela a permis de mettre en évidence de nouveaux comportements des noyaux, comme le phénomène de halo de neutrons (extension spatiale des neutrons très importante), ou d’agrégation des nucléons (regroupements de nucléons dans un noyau).
Ces détecteurs de faisceau sont une partie de l’ensemble des détecteurs destinés à permettre l’étude des faisceaux exotiques. Ils sont destinés à fonctionner conjointement avec d’autres types de détecteurs comme :
- EXOGAM pour la détection de rayons g,
- MUST, MUST2 pour la détection de particules légères autour de la cible d’interaction
- VAMOS en tant que spectromètre à grande acceptance, pour la détection et l’identification d’ions lourds de basse énergie.
A plus long terme, les projets AGATA (pour le rayonnement g) et GRAPA (pour la détection de particules) s’inscrivent comme des développements de ce type d’instrumentation pour les accélérateurs du futur (EURISOL, GSI).
L'Irfu est fortement impliqué dans le développement de ces différents instruments.
Expériences de réactions directes
Les réactions directes sont un mode privilégié d’étude des noyaux radioactifs. On entend ici par « réaction directe » une réaction entre deux noyaux suffisamment brève pour que la connaissance de la cinématique des particules (leur énergie et leur direction) avant et après la réaction puisse donner directement des informations sur la réaction elle-même. Ces mesures permettent de reconstruire les distributions angulaires des sections efficaces de réaction et les spectres en énergie d’excitation des noyaux étudiés qui donnent des informations sur la structure, ainsi que sur les modes de réactions eux-mêmes.
La diffusion, élastique ou inélastique, du projectile sur une cible ou le transfert d’un certain nombre de nucléons entre la cible et le projectile sont des réactions directes.
Les variables d’intérêt pour ces réactions sont (voir figure 2) :
- les masses et numéros atomiques des différents ions après réaction,
- leurs énergies respectives (Ed, Ep),
- les angles de diffusion des ions (Qd, Qp)
Les angles, les masses et les énergies sont reliés par des relations cinématiques connues.
L’identification en masse et charge des ions est assurée par des détecteurs placés autour de ou après la cible. Par exemple MUST2 mesure l’énergie et le temps de vol des particules légères (Z<6) pour les identifier. Le spectromètre VAMOS mesure l’énergie des ions et une perte d’énergie dans une chambre à ionisation pour identifier les ions plus lourds. Les mesures des énergies des ions sont également prises en charge par ces détecteurs.
La mesure des angles de diffusion nécessite de prendre en compte les caractéristiques des ions du faisceau. En effet, les faisceaux de noyaux exotiques ont une émittance large qui est due à leur mode de production. Non seulement leur ouverture angulaire est importante (quelques degrés), mais leur extension spatiale sur la cible n’est pas négligeable devant la précision des mesures. Ils s’étendent parfois sur plusieurs centimètres carrés. Il est donc indispensable de connaître la trajectoire de chaque ion du faisceau et son point d’impact sur la cible. Pour cela, il suffit de reconstruire en deux points en amont du faisceau les positions de passage de chaque ions du faisceau. Les figures 3 et 4 montrent les lignes cinématiques reconstruites à l’aide de deux détecteurs CATS pour une réaction de diffusion d’un faisceau de 11C sur une cible de protons. La figure a) montre le résultat avec une reconstruction des trajectoires des ions du faisceau, la figure b) sans cette reconstruction. Les lignes claires qui apparaissent sur la figure 3 sont complètement brouillées par l’émittance du faisceau dans la figure 4.
Enfin, il est important que les détecteurs de faisceau puissent donner un signal rapide, ce qui permet de déterminer les temps de vol des ions avec précision. Ce signal peut également être utilisé comme référence en temps et servir de déclencheur de la détection, afin de normaliser les données recueillies par rapport au flux d’ions incidents.
Cahier des charges
Pour les mesures de réactions directes, la reconstruction de la trajectoire des ions du faisceau est réalisée au Ganil par deux détecteurs CATS (Chambres A Trajectoires de Saclay) placés en amont de la cible de réaction. Ces détecteurs donnent une mesure de la position des ions en 2D ainsi qu’un signal temps rapide. S’ils donnent de bons résultats (cf. figure 3), ils ont toutefois un certain nombre de limitations:
- un taux de comptage trop faible, lié à la lenteur de la lecture des signaux sur les 2 fois 28 pistes qui composent le détecteur mais également à la résistance du détecteur face à des intensités supérieures à quelques 10000pps. Les cathodes subissent des dommages importants à ces flux.
- Une détérioration de la résolution en temps et de l’efficacité du détecteur pour les ions légers (1,7ns et 83% d’efficacité pour des 8He à 15,6MeV/n).
Compte tenu des évolutions des détecteurs, notamment MUST2 et EXOGAM, les caractéristiques d'un détecteur de faisceau adapté ont été définies avec le cahier des charges suivant :
- la capacité à résister à des flux d’ions lourds de l’ordre de 105 particules par seconde,
- un temps mort électronique réduit, inférieur à 50ms (temps mort du détecteur MUST2),
- une résolution spatiale en deux dimensions de 0,5mm (pour permettre une résolution sur cible de l’ordre de 1mm),
- une résolution temporelle inférieure à une nanoseconde,
- une efficacité supérieure à 90%, surtout pour les ions légers.
Mécanique du détecteur
Le détecteur CATS (Chambres à trajectoires de Saclay) est un détecteur proportionnel multi fils.
Il est composé d'un cadre d'aluminium maintenant les différentes couches :
- deux fenètres de Mylar de 1.5 µm qui confinent le gaz
- deux feuilles de Mylar de 0.9 µm qui constituent deux cathodes symétriques. Elles sont couvertes de pistes aluminisées au pas de 2.54 mm orthogonales et dont la charge peut être lue indépendamment.
- Une plan de fils médian qui constitue l'anode. Un haute tension positive y est appliquée (~700V). On y mesure un signal rapide qui sert de mesure de temps.
La transparence du détecteur est un de ses atouts.
Un champ important (780V/3mm) est crée entre l’électrode centrale et les pistes latérales. Ce champ est uniforme dans la zone éloignée de la cathode, et à fort gradient dans la zone d’anode (fil de faible rayon de courbure). Ces deux zones déterminent deux étapes dans le fonctionnement.
Entre la cathode et la proximité de l’anode, le champ électrique est considéré comme constant, ce qui correspond à une zone dite de plaque parallèles. Dans cette zone, les électrons produits sont déplacés par le champ vers l’anode, et sont multipliés par avalanche. Le déplacement de ces charges induit un signal rapide (signal temps) prélevé sur l’anode.
