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
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)
U0
@ champ électrique en 1/r E r =
r ln rC / rA
@ champ d'intensité maximale au voisinage du fil
af
b
Fil d'anode
R
coordonnée
radiale
g
Particule ionisante
volume gazeux généralement constitué d'un mélange gaz
noble + gaz organique, sous pression atmosphérique : ArCO2 (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
r
r que les électrons de la charge primaire vont alors être
r
suffisamment accélérés ( F = m a = − e E ) 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 : Q out = M ⋅ Q 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.
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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 (ArCO2/80-20). 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).
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PCP3
We measure the following quantities, according to a rather simple readout scheme:
PREAMP
142 PC
FILTER
AMPLIFIER
474
LINEAR
FAN
DISCRI
Vth =
30mV
SCALER
ORTEC 994
MCA
MAESTRO
Card / 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 !!!.
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PLATEAU
SOURCE:
SWPC
Read-Out
PCP4
Date, heure :
55
Fe / 204 Tl
Estimation of the irradiated surface :
gas mixture :
preamp. 142PC ?
discri
seuil =
HTanode COMPTAGE
BF = …. Hz
en
… sec
# comptages
amp. 474 ?
moyenne en Hz
mm2
temp. =
°C
G=
type MCA
fG =
BF déduit
patm =
mb
diff:
int:
PULSE
Hauteur moyenne
mV oscillo
MCA ch
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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).
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PCP6
Annexe 2: Interactions des particules chargées avec un milieu gazeux
Ionisation primaire et totale
• Lorsqu’une particule p chargée traverse un milieu gazeux, le mécanisme le plus probable est
l’interaction coulombienne entre la particule incidente et le milieu traversé. Celle-ci conduit à l’excitation
(eq.1) et l’ionisation (eq.2) des atomes ou molécules du milieu.
p + X → X∗ + p
p+X → X + p+e
+
(1)
-
(2)
• Les réactions ionisantes ne se produisent que si la fraction d’énergie cédée par la particule est supérieure
au potentiel d’ionisation du gaz. Le nombre de collisions ionisantes (noté n p ) représente le nombre
d’électrons ou ions primaires formés.
• Lors des interactions particule-gaz avec ionisations, il est possible que l'énergie transférée à l’électron
soit suffisamment grande pour que celui-ci puisse être à l’origine d’une ou deux réactions ionisantes
supplémentaires. On parle alors d'électron delta et on définit un nombre total de paires électron-ion créées
durant l’interaction de la particule avec le milieu gazeux; celui-ci représente la somme des deux
contributions, interactions particule-gaz et interactions électron δ - gaz qui peuvent s'en suivre et il est
donné par l’expression suivante:
nt =
∆E
Wi
avec n t : nombre total d’ionisations; ∆E : énergie perdue par la particule ionisante dans le volume de gaz
considéré; Wi : énergie moyenne nécessaire à la création d’une paire électron-ion (fonction du gaz,
typiquement autour de 30 eV).
• Pour un mélange gazeux, n p et n t sont donnés par :
n p = ∑ n pi c i
i
n t = ∑ n tj c j
Ar : nt = 94/cm de gaz traversé
CO2 : nt = 91/cm de gaz
@ Faire le calcul pour Ar-CO2 (80-20)
j
où ci est la proportion en volume du gaz i de coefficient d’ionisation spécifique
n pi ;
cj est la proportion en volume de gaz j de coefficient d’ionisation spécifique n tj .
•Pour une particule chargée au minimum d'ionisation c-à-d ne perdant qu'une faible partie de son
énergie, on peut aussi calculer l'énergie perdue par cm de gaz traversé:
Valeurs Ar : 2,44 keV/cm et CO2 : 3,01 keV/cm. @ faire le calcul pour Ar-CO2 (80-20).
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PCP7
Perte d’énergie par unité de longueur
• La perte d’énergie par unité de longueur pour une particule de charge Q = ze et de vitesse β = v c qui
traverse un milieu de faible densité tel qu’un gaz dans des conditions standards de pression et de
température est donnée par l'équation de Bethe et Block:
dE
−
dx
=
4π N A e 4
mc2
Z ρ
A
⎛z
⎜⎜
⎝β
⎞
⎟⎟
⎠
2
⎡ 2 m c2 β 2 γ 2
⎢ln
I
⎣
⎤
− β 2⎥
⎦
où NA est le nombre d'Avogadro;
e et m la charge et la masse de l’électron;
Z et A le nombre de charge et le nombre de masse du gaz,
ρ la densité du gaz,
γ = (1 − β2)-1/2 le facteur de Lorentz
I exprimé en eV, représente un potentiel d'ionisation effectif
0,9
donné par la formule empirique : I = 16 ⋅ Z .
• La fonction dE/dx, à basse énergie, décroît en 1/β2 jusqu'à
atteindre un minimum (dE/dx)MIP. A haute énergie, on entre
dans le domaine de la remontée relativiste où le terme
logarithmique l'emporte. Les particules dont la perte d'énergie
peut être approximée à la valeur (dE/dx)MIP sont appelées
particules au minimum d'ionisation3.
Distribution en énergie perdue
• Les pertes d’énergie par ionisation subies par une particule chargée d’énergie E à la traversée d’une
couche mince de gaz (dE << E) ont un caractère statistique car les pertes sont dues à un certain nombre de
collisions, chacune d’elle pouvant déposer une quantité dE variable ; la fonction de distribution en énergie
perdue a été obtenue pour la première fois par Landau. Elle est asymétrique et présente une queue pour les
grandes valeurs de E, due aux collisions avec grand transfert d’énergie (électrons delta).
Spectre en énergie
perdue dans un milieu
gazeux pour des
particules chargées
monoénergétiques
3
Minimum Ionizing Particle ou MIP
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PCP8
Annexe 3 : Interaction des photons avec le milieu gazeux
Généralités
• Lorsqu'un faisceau de photons γ ou X traverse un milieu gazeux, son intensité décroît en fonction de
l’épaisseur traversée suivant une loi exponentielle :
I = I 0e- µx
avec
µ : coefficient d’absorption linéique ;
x : l’épaisseur de gaz traversée.
La perte d'énergie de ce faisceau de photons
est due à trois effets :
1. effet photoélectrique
2. effet Compton
3. création de paires e+e−
1. l’effet photoélectrique
γ + e- → eDans ce cas un photon d’énergie γ interagit avec un des électrons de l'atome et si l’énergie du photon
est plus grande que E b (énergie de liaison de l'électron dans l’atome) alors l'électron sera expulsé avec
une énergie égale à la différence E γ − E b = We .
2. l’effet Compton
γ + e- → γ '+eC’est la diffusion élastique d’un photon par un électron libre (un électron pour lequel l'énergie de
liaison est négligeable par rapport à l’énergie du photon incident). Une partie de cette énergie est
cédée à l’électron initialement au repos et l’autre partie se retrouve sous la forme d’un photon diffusé
d’énergie E γ ' ≤ E γ .
3. la création de paires e+e−
γ + noyau → e + + e - + noyau
Si un photon possède une énergie supérieure à 2mec2 (1,022 MeV), il existe une certaine probabilité
pour que le photon se matérialise en une paire électron-positron lors de son passage dans le champ
coulombien d’un noyau. L’excès d’énergie se retrouve sous la forme d’énergie cinétique :
E γ = 2m e c 2 + W - e + W + e
avec W e : énergie cinétique de l’électron ;
+
W e : énergie cinétique du photon.
@ Après conversion des photons dans le milieu gazeux, les électrons résultant de cette
interaction sont alors détectés de la même façon que les particules chargées.
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PCP9
Cas des photons X
• Dans les tests de mise au point des détecteurs gazeux, on utilise souvent des photons d’une énergie
≤ 10keV comme les photons X de 5.9 keV provenant d’une source radioactive de Fe55 Dans ce
cas, le processus dominant est l’effet photoélectrique.
• Explicitons le cas des photons X de 5.9 keV se convertissant dans l'argon (énergies de liaison des
électrons sur les niveaux K/L/M = 3.2 / 0.3 / ≈0 keV)
X + Ar →
ou
Ar*+ + e− K [We = 2.7 keV = 5.9 – EK]
(1)
↓
Ar*+ → γ [ne se convertit pas dans le gaz, sort du détecteur] (2)
Ar*+ → e−Auger [We = 3.2 keV = EK]
(3)
L'atome de gaz rare ionisé revient à son état stable par fluorescence (2) ou par émission d'un second
photoélectron (effet Auger (3). Pour l'argon, la probabilité d'émission d'un photon de fluorescence est
environ de 20% contre 80% pour l'effet Auger. On observera donc deux pics dans les spectres
d'énergie perdue : le pic principal à 5.9 keV (1+3) et le pic d'échappement à 2.7 keV (1+2).