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Détecteurs au GANIL

Au Ganil, on trouve plusieurs types de détecteurs. En général, les détecteurs sont assocés dans des ensembles de détection. En voici 4 exemples :

Un détecteur du GANIL : MUST2

Un détecteur de particules chargées. À quoi sert-il et comment fonctionne-t-il ?

Must2 est un détecteur de particules chargées utilisé au GANIL (et ailleurs). Ce détecteur permet de mesurer les énergies, positions, angle, et le temps de passage des particules. Il permet aussi d’identifier les particules légères (proton, hélium, lithium etc.). En général, ces particules sont produites lors de réactions nucléaires entre les particules du faisceau du GANIL et une cible.

Pricipe d’une interaction
Collision sur une cible du faisceau de particules et détection des particules par le détecteur MUST2
© GANIL ©

MUST2 est constitué d’un ensemble de 8 télescopes.

 

MUST2 : simulation d’une collision
Sur cette figure on peut voir le faisceau de particules (ligne noire) tapant sur une cible (disque bleu), des particules légères sont émises (lignes bleues claires) et sont détectées par 4+1 télescopes MUST2. Le disque rouge est une protection contre le faisceau.
© V. Girard Alcindor ©

Chaque télescope comprend 3 étages de détection.

Détail d’un télescope (MUST2)
Un télescope MUST2 est constitué de 3 étages de détection et d’un étage d’électronique (ASICs).
© GANIL ©

Le premier étage est constitué d’un détecteur en silicium, sous la forme d’une feuille plane de 300µm d’épaisseur et de 10×10 cm2 de surface. Sur les surfaces sont disposées 256 pistes métalliques en rayures permettant de mesurer la position du passage des particules. Il y a 128 pistes horizontales et 128 pistes verticales. Lors du passage d’une particule à travers le détecteur, un courant électrique est créé sur une des pistes et est envoyé à travers la piste vers un pré-amplificateur (équipement électronique) qui va amplifier le signal électrique. Les pistes touchées donnent les positions en X et Y de la particule. L’intensité du courant dans les pistes donne l’énergie perdue par la particule. Le temps d’arrivée du signal électrique donne le temps de passage de la particule, avec précision de l’ordre du milliardième de seconde.

Le second étage est constitué d’un détecteur en silicium (dopé au lithium) de 4,5 mm d’épaisseur. Ce second détecteur voit la particule si et seulement si elle traverse le premier étage. Le but de ce détecteur est double. D’une part il s’agit de mesurer l’énergie restante de la particule. D’autre part, il s’agit d’identifier la particule. En effet, quand on représente graphiquement l’énergie perdue par la particule dans le premier détecteur (DE) en fonction de l’énergie mesurée dans le second détecteur (E), on obtient une figure caractéristique qui permet d’identifier les particules. Différentes particules peuvent avoir la même énergie et différentes masses et différentes charges électriques. Une particule légère aura tendance à passer le premier étage (DSSD) facilement, sans trop de perte d’énergie, et de stopper sur le deuxième étage, tandis que les particules plus lourdes auront tendance à ralentir fortement dès le premier étage. Tout cela est enregistré sous forme de données, et représenté graphiquement.

Mesure d’identification des particules
La perte d’énergie mesurée dans le premier détecteur (axe vertical) est représentée en fonction l’énergie mesurée dans le second détecteur (axe horizontal). Chaque point sur cette image représente une particule mesurée. Les lignes de points correspondent à différentes sortes de particules (proton, deuton, alpha) ayant différentes énergies.
© V. Girard Alcindor ©

Le troisième étage est constitué d’un détecteur scintillateur au iodure de césium. Il est divisé en 16 cubes égaux. Cet étage est particulièrement plus épais que les autres étages (4 cm) car ce dernier étage sert à stopper les particules les plus énergétiques pour mesurer toute leur énergie.

MUST2 peut recevoir 5.000 particules par seconde au maximum, et permet de mesurer les signaux avec une grande qualité (haute résolution en temps et en énergie).

NB : Ce texte a été réalisé avec l’aide de Marin Crochard (Lycée Notre Dames de la Fidélité – Douvres-la-Délivrande) pendant son stage découverte de la recherche en classe de seconde.

Détecteur AGATA

AGATA (Advanced Gamma Tracking Array) est un ensemble de détecteurs au semi-conducteur germanium refroidi à -200 degrés Celsius avec de l’azote liquide. Il permet de mesurer les rayonnements électromagnétiques de haute énergie, encore appelés « rayons gamma », avec une grande précision (de l’ordre de 2 keV, en fonction de l’énergie). AGATA est un projet de recherche européen. Ce détecteur est utilisé essentiellement pour faire de la recherche fondamentale, pour étudier la structure du noyau atomique. Cet ensemble de détecteurs a été monté au laboratoire du GANIL pour quelques années, avant de repartir pour un autre laboratoire européen. Il s’agit d’un des 2 meilleurs ensembles de détecteurs de ce genre existant dans le monde. Sa particularité exceptionnelle est de pouvoir préciser l’angle d’émission des rayonnements gamma avec une précision de l’ordre de 1 degré. Cette information est obtenue en faisant un « tracking » (reconstruction de trajectoire) des rayonnements gamma dans les cristaux de germanium segmentés de haute pureté, en utilisant une électronique digitale avancée et en analysant de la forme des signaux.

Le détecteur INDRA du GANIL

Un détecteur très efficace

INDRA (Identification des Noyaux et Détection à Résolution Accrue) est un détecteur de particules chargées dédié à l’étude des noyaux chauds formés dans les collisions d’ions lourds, typiquement étain sur étain, entre 20 et 150 MeV par nucléon. Les expériences, menées au GANIL apportent des informations sur les propriétés de la matière nucléaire et de son équation d’état (pression, volume, température etc.). Ce détecteur est entré en service en 1993 au GANIL et reste à ce jour l’un des plus performants dans son domaine.

… et ACTAR

ACTAR-TPC (Active TARget Time Projection Chamber) est un détecteur développé au GANIL dans le cadre d’une collaboration internationale. Il s’agit d’un système qui remplit deux fonctions simultanément, celle de détecteur et celle de cible. En effet, le gaz dont est rempli le détecteur constitue la matière induisant des réactions nucléaires avec le faisceau, et d’autre part, ce même gaz est ionisé (des électrons sont arrachés des atomes) par les particules du faisceau et les particules produites dans les réactions, et cette ionisation permet de visualiser les trajectoires en trois dimensions de ces particules. Ce détecteur est donc une espèce de caméra.