Chambre proportionnelle

TP 1ière lic. SWPC PCP1
TP détecteurs de particules & rayonnements:
Manip : exploitation d'une chambre proportionnelle à un fil
1. But de la manipulation
Le but de la manipulation est l'étude et l'exploitation d'un détecteur à volume sensible gazeux,
plus précisément, une chambre proportionnelle à un fil (ou SWPC : Single Wire Proportional
Chamber) balayée par un mélange gazeux composé d'argon et de CO2.
Le détecteur sera suivi d’une chaîne d'analyse des impulsions : comptage et analyse en
amplitude telle qu’utilisée dans les manipulations de spectrométrie (carte MCA Multi Channel
Analyzer + PC).
2. Détecteur à volume sensible gazeux
2.1 Configuration et principe de fonctionnement
Cathode cylindrique
Fil d'anode
Configuration :
cylindre conducteur, de rayon rC, porté à un potentiel
négatif (masse dans le cas de la manip) par rapport à
un fin fil (quelques dizaines de µm de diamètre),
métallique tendu en son centre de rayon rA (50 µm
dans la manip) et porté à un potentiel positif (+ U0)
@ champ électrique en 1/r Er
U
rrr
CA
af bg
=0
ln /
@ champ d'intensité maximale au voisinage du fil
R
coordonnée
radiale
Particule ionisante
volume gazeux généralement constitué d'un mélange gaz
noble + gaz organique, sous pression atmosphérique : Ar-
CO2 (80-20) dans le cas de la manip.
Le principe de fonctionnement est très similaire à celui d'un compteur de Geiger tel qu'utilisé
lors des manipulations précédentes. Si une particule chargée traverse le détecteur, elle ionise le
gaz (création de paires e− / ion+) et crée ainsi une charge primaire Qin. Les électrons vont alors
dériver vers le fil d'anode tandis que les ions positifs vont dériver vers la cathode en suivant les
lignes de champ électrique. Lorsque le champ électrique est suffisamment intense (en pratique
pour les électrons au voisinage proche du fil, à quelques rayons de fil de celui-ci), il se produit un
phénomène d'avalanche d'électrons c-à-d que les électrons de la charge primaire vont alors être
suffisamment accélérés (
r
r
r
Fma eE==−
) pour ioniser à leur tour et créer des charges secondaires
(paires e− / ion+). Dans le cas du fonctionnement en mode proportionnel, la charge obtenue
après avalanche Qout est proportionnelle à la charge primaire Qin : QMQ
out in
=⋅ avec M le gain
du détecteur (dont la valeur est ≈ 103 dépendant de la tension U0 appliquée). C'est la différence
par rapport à un compteur de Geiger pour lequel la tension U0 est plus élevée, donc le gain plus
élevé (M ≈ 105) et non proportionnel à la charge primaire.

TP 1ière lic. SWPC PCP2
2.2 formation de l'impulsion
La formation de l'impulsion est également similaire à celle d'un compteur de Geiger :
On applique la tension +U0 à l'électrode positive (fil) par l'intermédiaire d'une résistance (dite
résistance de charge); le détecteur peut alors être vu comme un condensateur cylindrique chargé
caractérisé par sa capacité C. L'électronique de lecture (preamplifier) est alors découplée de la
haute tension du détecteur via la capacité C' (dite capacité de découplage).
@ Il se forme une impulsion (signal) pendant la dérive des charges Qout : mouvement rapide des
électrons vers l'anode et mouvement de recul plus lent des ions positifs. Ceci résulte en une
diminution de la tension aux bornes du détecteur (au point A, une des bornes du condensateur de
lecture – découplage C').
@ la valeur de cette chute de tension (= impulsion) est proportionnelle à la charge collectée :
@ ∆U = C.Qout
@ dans le cas du compteur proportionnel : ∆U ÷ Qin.
Le potentiel du point A reprend exponentiellement sa valeur initiale U0 avec la constante de
temps RchargeCdétecteur. Un dispositif approprié amplifie (preamplifier + amplifier), puis enregistre
et analyse l'impulsion de tension (cf. annexe).
3. Experimental set-up
Detector : SWPC (Single Wire Proportional Chamber) equipped with an anode wire [50 µm
diameter (Cu-Be)] brought to a positive electrical potential and stretched in the centre of a
metallic cylinder brought to ground potential. The entrance window is a 50 µm aluminium
sheet. The detector is fixed on a stage, the beam is perpendicular to the entrance window.
The gas set-up : the detector is flushed at a flowrate of ≈2l/h with the selected gas mixture (Ar-
CO2/80-20). The gas set-up contains:
- 2 gas bottles + pressure regulators
- 1 panel of pressure control
- 1 mass-flowmeter for each gas component + controller
The whole circuit is made in stainless-steel (tubing, filters) with all metallic connectors. The
output of the chamber is made of a 15 m stainless-steel tube followed by a decompression box.
The radiation source is a X ray radioactive source of 55Fe. (5.9 keV X-rays).

TP 1ière lic. SWPC PCP3
We measure the following quantities, according to a rather simple readout scheme:
FILTER
AMPLIFIER
474
DISCRI
Vth =
30mV
SCALER
ORTEC 994
MCA
MAESTRO
Card / PC
LINEAR
FAN
PREAMP
142 PC
- the counting rate r (using 142PC ORTEC preamp. + 460 ORTEC amp. + CAEN quad-scaler)
- the pulse height (using a MCA card inserted in a PC).
4. MANIPULATION
Counting rate plateau and pulse height spectra
@ CALCUALTE & COMPARE the energy loos by a 5.9 keV X-ray and by a minimum ionising
particle crossing 1 cm of Ar-CO2 (80-20). See appendix 2.
D Measure the counting rate plateau : with a radioactive source (55Fe or 204Tl) + background
without source.
At the same time, visualize the pulse at scope and read the mean pulse height.
→ fill in the table presented next page.
→ plot and comment : length, slope, start [V] of the counting rate plateau
→ plot the pulse height as a function of the anode potential + comment.
Remember the error on a counting measurement.
D Record the variation of the pulse height distributions with respect to the anode voltage by
means of the MCA card (55Fe source).
→ fill in the table
→ plot + comment.
D Record a pulse height distribution for an anode voltage corresponding to the middle of the
plateau for the 204Tl source and compare to the distribution obtained for a 55Fe source
→ compare and explain !!!.

TP 1ière lic. SWPC PCP4
PLATEAU Date, heure :
SOURCE: 55Fe / 204 Tl
Estimation of the irradiated surface : mm2
SWPC gas mixture : temp. = °C patm = mb
Read-Out preamp. 142PC ? amp. 474 ? G = fG = diff: int:
discri seuil = type MCA
PULSE
Hauteur moyenne
HTanode COMPTAGE
BF = …. Hz
en … sec mo
y
enne en Hz BF déduit
# comptages mV oscillo MCA ch

TP 1ière lic. SWPC PCP5
Annexe 1 : Modules d'acquisition utilisés
Modules NIM
Les modules conformes au standard NIM (Nuclear Instrument Modules) produisent des
impulsions négatives de 0.8 V d'amplitude, dont la durée est réglable de 20 ns à 100 ns. Ils sont
alimentés en basse tension (∀6V, ∀12V, ∀24V) par l'intermédiaire du châssis NIM dans lesquels
ils sont insérés. Ces modules peuvent être utilisés par l'opérateur directement.
discriminateurs
fonction : produire une impulsion de sortie logique si l'amplitude de l'impulsion linéaire d'entrée
excède un niveau de discrimination fixé, ici généralement réglé à -30 mV.
"linear ou logic fan-out"
fonction : produire 4 impulsions analogiques (linéaires) ou logiques identiques au signal d'entrée
analogique ou logique respectivement.
échelles de comptage
fonction : compter les impulsions logiques qui se présentent aux différentes entrées.
préamplificateur et amplificateur
Pour travailler en mode proportionnel, on utilise un préamplificateur suivi d'un amplificateur dits
de charge car ils amplifient la charge collectée dans une impulsion (et non le courant).
Préamplificateur & amplificateur est de type ORTEC (modèle 142 PC & 410).
fonction : fournir un gain et une mise en forme des impulsions d'entrée, ajustés de façon à
optimiser, suivant le type de mesure effectuée, la résolution en temps.
oscilloscope
type : oscilloscope Tektronix 2465 (300 MHz)
analyseur multicanal
Cet analyseur se présente sous la forme d'une carte (HardWare) : EG&G ORTEC MCA (modèle
Spectrum ACE-2K) et d'un programme (SoftWare) : Maestro II. Ce système fonctionne sur un
ordinateur (IBM PC 386).