Detection d'anneaux Cherenkov a l'aide d'un compteur multipointes a focalisation cathodique

Nuclear Instruments and Methods 174 (1980) 93-107 © North-Holland Publishing Company

DETECTION D ' A I ~ / E A U X CHERENKOV A L'AIDE D'UN COMPTEUR MULTIPOINTES A FOCALISATION CATHODIQUE G. COMBY, Ph. MANGEOT, J.L. AUGUERES, S. CLAUDET, J.F. CHALOT *, J. TICHIT, H. de LIGNIERES et A. ZADRA Ddpartement de Physique des Particules Eldmentaires, CEN-Saclay, B.P.2, 91190 Gif-sur- Yvette, France Requ le 10 Septembre 1979

Recent studies, aimed at photosensitizing gaseous multiplication counters, make the detection of Cherenkov light possible. Multi-needle detectors with cathodic focussing, which can solve by their structure specific imaging problems, are adapted to detect a ring-focussed Cherenkov image produced by a tingle particle. In this article, we study the properties of the radiator, analyze the results obtained with this detection apparatus and estimate the quantum efficiency of the detector.

1. Introduction

R6cemment Benot et ses collaborateurs ont propos6 un dispositif ~ plus grande acceptance avec le "spot-focusing Cherenkov counter" [9], puis Seguinot et Ypsilantis sugg~rent le "ring imaging Cherenkov counter" de tr~s grande acceptance [10]. Pour tenter de r6aliser ce dernier projet l'emploi des photomultiplicateurs et intensificateurs d'image 6tant exclu, il s'av6re indispensable de savoir construire un d6tecteur photosensible adapt6 h l'imagelie. L'utilisation de la partie ultraviolette du rayonnement Cherenkov offre une possibilit6 en employant une vapeur photoionisante pour convertir et d6tecter ces photons. Les compteurs multipointes ~t focalisation cathodique, apr6s essai sur monochromateur semblent r6pondre h la fois au probl6me d'efficacit6 et ~i ceux pos6s par l'imagerie. Cette exp6rience se propose de v6rifier ces investigations.

Parmi les nombreuses exp6riences en vue d'exploiter le rayonnement Cherenkov pour obtenir des informations sur les particules incidentes on peut distinguer: - celles of~ le signal engendr6 par les photons Cherenkov indiquent le franchissement d'un seuil physique, - celles o3 la r6partition des photons Cherenkov est utilis6e pour extraire des paramdtres plus pr6cis. Cette seconde pratique a amen6 les exp6rimenta. teurs ~ focaliser la lumi6re Cherenkov sous forme annulaire [ 1 - 6 ] ou de fragments d'anneau [7]. Les d6tecteurs photosensibles sont selon le cas des photomultiplicateurs ou des intensificateurs d'image coupl6s ~ un enregistrement photographique. Tous exploitent le rayonnement visible ou le proche ultraviolet. Ils d6tectent en g6n6ral l'anneau correspondant au cumul d'un lot de particules incidentes. Butslov [4], Reynolds [5], Binnie [3], Iredale [8], enregistrent l'image produite par une seule particule. Cependant l'appareillage reste tr~s complexe et d61icat et les informations ne sont pas utilisables en ligne pour effectuer un choix au niveau de l'acquisition ou de l'enregistrement des donn6es. De plus ces dispositifs sont directionnels avec une acceptance tr~s faible.

2. Description du montage exp6rimental Le sch6ma d'ensemble (fig. 1) regroupe les principaux 616ments du montage. 2.1. Description fonctionnelle Le croquis en coupe de l'enceinte (fig. 2) montre la disposition relative

* Ecole Centrale. Stagiaire Universitaire 1978. 93

94

G. Comby et al. /Ddtection d'anneaux Cherenkov

VN w I R'partiteur Hr )

Atimentotion 1 J. H.T

l-

o**

q I

- C AM AC-

t

I l

paires torsod~es ~l.ood I Sorti .... i, [L 3 . . . . i.ux 51)~ ,l I

.

,r,..r

II

I I

I

30m 0

Atim~n;ation •

[

"~ ~- Cl,ock . "

$1RM.

Atimentotion

B.T +~-s

I I t I I I

Echetles

aveugLes

III i I

I

Fig. 1. Synoptique du montage experimental.

du radiateur Cherenkov, - du d6tecteur multipointes, - du g6n6rateur de rayonnement U.V.L., - du photomultiplicateur sensibilis6 dans I'U.V.L. 1) Le g~n6rateur U.V.L, constitu6 par le rayonnement de d6sexcitation des atomes d'un gaz rare excit6 ou ionis~ par les particules a d'une source d'241Am [ 11 ] peut 6tre orient6 par rotation - vers le photomultiplicateur aim de tester la transmission du gaz contenu dans l'enceinte, - vers le d6tecteur afin de tester ce dernier en absence de faisceau. 2) Le photomultiplicateur RCA quantacon 8850 a 6t6 sensibilis6 dans I'U.V.L. en d6posant sur la paroi de verre de sa photocathode une couche de 10000 A de p-terpMnyl. Selon Vasseur [12] l'efficacit6 d'un tel d6p6t s'av~re pratiquement constante pour 1000 < X < 2500 A et l'efficacit6 quantique qui en r6sulte se situe autour de 10% 3) Le d6tecteur d6crit dans un pr6c6dent rapport [13] est un compteur multipointes ~ focalisation cathodique qui regroupe 1024 aiguilles dans une couronne de 110 mm de diam6tre ext&ieur (fig. 3). Les aiguilles sont dispos6es aux sommets de triangles 6quilat6raux de 3 mm de c6t6 et l'61ectronique associ6e permet d'effectuer l'image d'un ph6nom6ne ionisant en m6mofisant sur l'ordre d'un trigger l'6tat de l'ensemble des cellules d6tectrices. Un hublot de fluo-

rure de calcium (F2Ca) 6tablit une s6paration 6tanche entre l'atmosph6re de l'enceinte et celle du compteur. Selon les tests entrepris divers m61anges gazeux circulent ~ la pression atmospMrique dans le d6tecteur, lls sont obtenus par simple bullage ~i la temp6rature du laboratoire dans le liquide organique retenu. Le tableau 1 rassemble quelques caract6ristiques physiques et chimiques des mat6riaux utilis~s. 4) La lentiUe plan convexe en F2Ca fait simultan6ment office de radiateur Cherenkov et de syst6me optique pour former au voisinage de son plan focal une image annulaire des photons Cherenkov produits par une particule ionisante de vitesse convenable se d~pla~ant selon l'axe optique. Cette lentille est port6e par un tube permettant une translation par rapport au d6tecteur (tirage T) ainsi qu'une rotation autour de l'axe optique. D'un 6chantillon ~ l'autre l'indice de r6fraction des cristaux synth6tiques fluctue relativement peu. La fig. 4 pr6sente l'6volution de l'indice du fluorure de calcium en fonction de la longueur d'onde selon Tousey [14] et, sur le meme graphique, le coefficient d'absorption ~/mm d6duit des mesures effectu6es avec la lentille de 20 mm d'~paisseur et avec un hublot de 3 mm d'6paisseur [15]. Les r6sultats se recoupent et se compl~tent et ces valeurs sont compatibles avec celles propos6es par Tomiki [ 16]. 5) Le faisceau destin6 fi un tout autre usage, ~tait compos~ simplement de deux aimants d6viateurs qui

95

G. C o m b y et al. / D 6 t e c t i o n d'anneaux Cherenkov a~

o G6n6rateur UV

Lentille en_

FAYSCEAU Hublot en CaF2 \\ \

\\ \

\

\

~ PM

RCA~aSO

Fig. 2. Schema en coupe de l'enceinte regroupant radiateur, d&ecteur source U.V.L et photomultiplicateur.

Tableau 1 Caract~ristiques physiques des substances utifis~es dans cette experience. Corps

Argon M~thane M~thylal Benz~ne Toluene Tri~thylamine (TEA)

Formule

A CH4 CH~ (OCH3) 2 C6H 6 C7H8 C6H15N

Potentiel d'ionisation (eV)

(A)

15.69 12.98 10 9.15 8.8 7.5

790 955 1240 1355 1410 1650

Tension de vapeur (tort ~ 20°C)

Transmission

( A > 8 0 0 A ) HI (h > 1450 A) ~1 100 80 22 52

96

G. Comby et al. I D~tection d'anneaux Cherenkov

j.-

.j-J

s I

l Crtstol Fig. 3. Photo et schema en coupe du d&ecteur.

dirigeaient vers le lieu de l'exp6rience les protons c6d6s par le nouvel acc616rateur Saturne II lors de ses p6riodes de mise au point. Compte tenu de la disposition des aimants et de l'effet de collimation op6r6 par les masses magn6tiques des 616ments plac6s sur le faisceau, on peut estimer ~ -+10% la fluctuation de

l'impulsion des protons s61ectionn6s par le trigger. Bien qu'imparfait, ce faisceau nous a permis de varlet l'impulsion, des protons de 800 ~ 1600 MeV/c avec des taux de triggers aUant de 1 h 10 par ~jection et selon les r~glages de la machine. Les triggers ~taient constitu~s par la coincidence des signaux de comp-

G. Comby et al. /Ddtection d'anneaux Cherenkov

teurs ~ scintillation: $1 ( 4 0 X 4 0 ram2), $2 (~b3X 5 mm 2) $3 (~ 6 X 5 m m 2) apr6s une raise en forme de 10 ns de large.

J

2

x

x &:hantiU.on ~poisseur 3 mm • ~chontilton ~poisseur 20ram

k k

x~

IS=/'FIK/X F= coefficient d'obsortion/rnm

i t

x,,,~

k = coefficient

= 0,o7 " ~ o,o8 - - , ' ~ .

,

0

, ;

1300

.

,

.

1900

2000

1500

1600

1700

1800

L'61ectronique associ6e s'organise suivant le synoptique de la fig. 5 selon trois niveaux.

,'(;'L

, t ,",-;--..,

1/,00

2.2. L '6lectronique

d'extinction

t

o,o~ u,u~. o . o T _~L ' ~ , "~ "L ~ . 4,.

b)

Z2.1. Amplificateur discriminateur (fig. 5) Le gain 6lev6 des aiguilles ( G ~ 5 X 107) et la

l 2,0 . n

_-,~_,76 1,7

-~'~,68s

~_1,655

~36

o) 1,5

n

1,4

t 1200

=

de~ r6froction i n

, 1300

L 1400

, 1500

d

i

L 1600

~ c- ~e I 1700

I 1800

t53 L 1900

97

, x(i L

2000

Fig. 4. Caract~ristiques optiques du fluorure de calcium en fonction de la longueur d'onde; (a) indice de r~fraction, Co) coefficient d'absorption/mm.

grande latitude de r6solution en temps offerte par un faisceau peu intense nous ont fair adopter un sch6ma tr6s simple, compos6: a) d'un transistor rapide (2 N 918) mont6 en 6metteur c o m m u n donnant un gain en courant de 40 pour une imp6dance d'entr6e de l'ordre du k~2. b) d'un r6cepteur de ligne (75107) mont6 en comparateur avec un seuil minimum de 25 mV. On notera la "r6action positive" capacitive qui g6n~re de faqon simple une mise en forme du signal de sortie dont la largeur est adjust6e par la constante de temps de cette boucle. De plus ce syst~me assure un reverouillage efficace du comparateur aussi bien sur le front avant que sur le front arri~re.

-_ Sy_nop_tiqueI

JF--

{I

33

DETECTEUR j

"~i ~~. R i

AMP

Chor

_sch mo

14~loge

i

1N4~8

Sortie 3paire$ 30

Setk~

/ ~,

torsad~es

m.

v CAMAC

tl

~TK fK fO n F

Entree

MD$

-~

DISCRI

DETECTEUR

CCAM $

rnent

j~

-LV-

IK

"-"X, 7 M 6 5 i

--

k ....

.;

Fig. 5. Sch6ma fonetionnel de l'~lectronique d'acquisition-d~tail d'une vole "amplificateur, discriminateur".

80

98

G. Comby et al. /Dktection d'anneaux Cherenkov

2.2.2. Mkmorisation des ~tats de sortie des comparateurs Elle est r6alisOe par l'assemblage de registres 8 bits entrOes parall~les, sortie-sOrie (SN 74165) cascadOs. Les 6tats sont charg6s en parallOle sur un signal de synchronisation gOn6r6 par la logique de coincidence, puis d6calOs par une horloge pilot6e par le module de gestion. L'ensemble "amplificateur-discriminateur-mOmoire" des 1024 voles est implantO sur 16 cartes imprim6es de 64 voies.

des k(1 ~ < k < 10 4) 6v4nements demand6s. Le programme de gestion permet, fi l'issue de chaque 6v6nement d'enregistrer sur disquette les coordonn6es acquises ainsi que les r4sultats des calculs en vue d'un d6pouillement manuel plus analytique. Les k 6v~nements 6tant atteints l'examen des histogrammes nous renseigne sur le ddroulement de cet enregistrement.

2.2.3. Gestion de l'acquisition Elle est effectu6e par un module au standard CAMAC qui: a) g6n~re un signal de chargement des registres m6moires sur apparition du trigger dans une phase autoris6e du calculateur, b) excite l'horloge de d6calage et son compteur, c) g~re - le blocage provoqu6 par l'apparition d'un changement d'~tat de la sortie s~rie du registre, l'acquisition de la valeur du compteur horloge (N ° de l'aiguiUe), - la relance du processus de d~calage. Le module contr61eur de chassis CCAM 8 [17] g~re l'6change des signaux entre l'dlectronique d'acquisition et l'interface du micro-calculateur.

La fig. 2 d6crit la disposition des 616ments radiateur et ddtecteur et d6finit les diff6rents param6tres que nous utiliserons par la suite dans les calculs. Les protons signal6s par les triggers traversent la lentille en F2Ca dans une z6ne proche de l'axe optiq u e e n induisant un effet Cherenkov qui se manifeste par l'6mission de photons sous un angle caract4ristique 0c darts une large bande allant du visible fi l'ultraviolet lointain. Pour une particle de vitesse donn6e (/3= v/c) l'expression cos 0c: 1/[n(X)/3] montre la d4pendance de l'angle d'6mission avec la longueur d'onde qui sert observer le ph6nom6ne. Le nombre de photons 6mis au niveau de la trajectoire de la particule dans une bande d'6nergie (E: El) s'exprime par

-

2.3. Gestion informatique La gestion informatique de l'exp&ience fait intervenir: - un micro-calculateur MDS 80 ~quip6 de 32k octets de m6moires rives, - un terminal graphique Tektronix 4006, - un lecteur enregistreur de disque souple, - u n chassis CAMAC regroupant les divers modules d'61aboration des signaux de commande et de dialogue n~cessaires h l'acquisition et ~ la visualisation des r6sultats. Chaque trigger excitant le module de gestion g6n~re une interruption pour le calculateur qui entreprend un cycle d'acquisition du num6ro des aiguilles ayant d~liw6 un signal. Le cumul de J cycles (1 ~ J < 104) compose un 6v~nement et d6clenche le programme d'analyse qui ajuste sur les donn6es un cercle par la m6thode des moindres carr6s, calcule le rayon /9, l'6cart quadratique moyen oo, les coordonn6es du centre du cercle et place ces valeurs dam leurs histogrammes respectifs. La visualisation des aiguilles touch6es, des histogrammes et le calcul des valeurs moyennes et des 6carts s'effectuent apr~s l'ex6cution

3. Analyse th6orique du dispositif

E2 clN=2rro~ : dx he

sin20cdE

E1

:I X1

= 2rrc~

1

/cm

et d6pend des longueurs d'onde d61imitant la bande de rayonnement utilis6e. Le seuil de photoionisation du tri4thylamine (TEA) 7,5 eV nous impose la borne sup6rieure en longueur d'onde utilisable soit 1650 •. La transmission du fluorure de calcium fixe la borne inf6rieure soit 1250 A. Dans cette plage l'indice de r4fraction du radiateur Cherenkov en F2Ca varie dans de fortes proportions provoquant une important variation de l'angle Cherenkov et du nombre de photons 6mis. La fig. 6 illustre la d6pendance de ces deux param6tres en fonction des longueurs d'ondes. A l'aide d'un monochromateur U.V.L. nous avons 6valu6 l'efficacit6 quantique de notre d6tecteur relativement ~ la r6ponse d'un photomultiplicateur sensibilisd dans I'U.V.L.

G. Comby et aL /DOtection d'anneaux Cherenkov

99

Efficacit~ quantique reLative

100 Ny = nbre de photoqs

Transmission CH4 .,_._...__,_-._,___,_-. . . . .

10 50

)-\

-.

J

-~ "r-~

1

e~

.'~_ }

.....

/\

- "P.~ 1600Mev/c "~"-~L_

..~ 1000Mev/c

100%

c)

x(;~)

~ -'~'-~ 800 Mevlc

10%

at=angLe d'~mission £:erenkov

~ 40

~

I

\

I I

~cq=.08\ I !

1%

IEO normatis~e

I

"

I?'--, 1200 1300 1 4 0 0

I

8o0~wc

1 5 0 0 1600 1 7 0 0 1 8 0 0 1900

x(~,) ,, 20(30

Fig. 6. Lumi~re Chetenkov ~mise dans le cristal F2Ca en fonction de la longueur d'onde et pour diff~rentes impulsions du proton incident: (a) angle d'~mission, (b) hombre de photons par cm de radiateur et par bandes de 50 A.

Le r6sultat pr6sent6 en fig. 7 indique un maximum de sensibilit6 encadr6 par les valeurs 1450 et 1650 A. En cons&luence l'image d6tect6e ne proviendra que de cette bande de rayonnement qui imposera pratiquement l'ampleur des aberrations et la population de l'anneau. Nous la d6finirons par le rayon moyen O, la dispersion ~ mi-hauteur op et le hombre de photons par particule incidente.

3.1. Etude de la formation gkom#trique de l'anneau La focalisation de la lumi~re Cherenkov est ici affect6e par trois types d'aberrations. a) Aberration produite par la lentille: .aberration de sph6ricit6, .aberration chromatique. b) Aberration due ~ la nature de l'effet Cherenkov. c) Aberration due & la fluctuation de l'6nergie des particules incidentes. Un calcul d6crivant la marche des rayons de leur point d'6mission-la trajectoire des protons dans la lentille-~ leur z6ne d'6mergence darts le d6tecteur nous permet d'6valuer l'incidence de chacune d'entr'elles.

I 1200 ' 1300 '

0

1500 ' ;o' 0

Xen ~, 1700 1800 '

O0

Fig. 7. Efficacit~ quantique d'un d~tecteur multipointes rempli d'un m~lange argon TEA en fonction de la longueur d'onde: (a) efficacit~ mesur6e par rapport ~ un PM sensibilit~ dans I'U.V.L., (b) efficacit6 normalis~e pour 4 bandes de rayonnement U.V.L. entre 1450 et 1650 A. (c) transmission du m6thane portia ici ?t titre de comparaison.

a) Aberration de sph~ricit~ de la lentille. C'est une fontion des param6tres g6om6triques des 616ments optiques. Pour illustrer, dans le cas pr6sent, son influence sur la focalisation nous consid6rerons seulemerit des variations de l'abcisse x du point d'6mission du photon pour deux valeurs de l'angle Cherenkov 0 c. La fig. 8a montre de faqon qualitative la marche des rayons a travers notre montage pour des photons de 1475 A ~mis sous l'angle 0c= 41 ° correspondant & des protons de 1, 2 Ge V/c. La fig. 8b represente la focalisation obtenue avec des photons de m~me longueur d'onde 6mis sous l'angle 0 c = 23, 7 ° correspondant & des protons de 0,8 GeV/c. L'aberration sph&ique croit avec l'angle d'6mission et, par la marne, restreint la longueur de trajectoire source lumineuse & participer h la formation de l'image bien avant que ne se produise la r6flexion totale. b) Aberration chromatique de la lentille C'est une fonction des caract6ristiques optiques des 616ments. La fig. 8d iUustre l'influence de la variation de l'indice avec X pour x et 0 c fixes. La fag. 8c en cumulant l'effet d'un param~tre g6om~trique 0c(X ) fi l'aberration pr6c6dente mantra l'ampleur du ph6nom6ne qui

G. Comby et aL / D~tection d'anneaux Cherenkov

100

c) Chf°m°tisme cerenkov

x=

lO

1275 < k <1625

~

/,

/"

II/

x=10 8 =l,0" 12?5 < "h ,,: 1625 Oc --

23",7 Chromatisme,

radia~ept"

b)

d)

aberration sph6rique

gberration chromotique

Fig. 8. Reconstruction des chemins optiques illustrant les diff6rentes aberrations dont est affect~ le syst6me. (a) et (b) Aberration sph~rique ~ 1200 et 800 MeV/c pour des photons de m~me longueur d'onde et diff~rents points d'~mission dans le radiateur, (c) aberration chromatique due ~ l'effet Cherenkov (variation de l'angle d'~mission avec la longueur d'onde), (d) aberration chromatique pure (variation de l'angle de r~fraction avec l'indice).

affecte l'~mission Cherenkov. Dans notre montage et pour la bande de rayonnement utilis~e la dispersion des photons par aberration chromatique est sup6rieure fi l'aberration sph6rique. c) Aberration provoquOe par l'effet Cherenkov De par sa nature l'effet Cherenkov exploite totalement les aberrations pr6cit6es. L'observation au niveau du d6tecteur des impacts p(X, x) des photons de longueur d'onde X 6mis sur tout le trajet du proton, sous angle caract6ristique 0c(X) permet d'appr6cier l'~volution de l'aberration sph&ique. En changeant de longueur d'onde nous modifions un peu l'angle d'~mission et la dispersion observ6e r6sulte des deux types d'aberrations pr6cit6es. La fig. 9 rassemble les courbes. #(X, x) pour les 4 longueurs d'onde 1475, 1525, 1575 et 1625 A, valeurs centrales des 4 bandes de 50 A, couvrant le domaine de sensibilit6 du d6tecteur. Pour chaque longueur d'onde nous pouvons d~finir un rayon moyen mentionn6 sur le graphe.

L'association des 4 courbes nous permet d'6valuer la largeur de l'image et par 1~, de d6terminer la longueur de trajectoire abscisse des points "c", qui participe en fair ~ la formation de l'image. Ce d6tail nous servira plus loin pour 6valuer le nombre de photons 6mergeant.

d) Aberration provoqu~e par la fluctuation d'~nergie des particules incidentes Cette aberration affecte l'image obtenue lors du cumul d'un grand nombre d'6v6nements. En changeant l'impulsion de la particule, des photons de m6me longueur d'onde sont 6mis, mais leur nombre et leur angle d'6mision a chang6. La fluctuation de -+10% de l'impulsion des protons incidents s'associera aux aberrations pr6c6dentes pour 61argir l'image d6finitive des 6v6nements cumul6s et augmentera la difficult6 ~ distinguer des lots de partioules d'6nergie voisine. Cette 6tude nous permet d'6valuer le rayon moyen et la largeur de la r6partition annulaire des photons 6mergents, capa-

G. Cornby et al. I D#tection d'anneaux Cherenkov l 60

101

100~ N photon

pen turn P=1200 Hev/c T=16mm

o

/ /

I!//

,"

50 Nbre photons totot Nbre photons dons Lo z o n e de focotisotion

"

Hev/c 800

+/+/"F

+

l

+ +'-H- + + + +._+ + ~ ÷ 3O • x • +

1475~N~ 1525~N~ 1575~N: 1625~N~

20

_ 5,6 : 8,5 = 11,26 = 14,3

p =39 15=36,4 15= 33,4 15 =31,5

•

1000

l,

1200 1~00 1600

p maximum I

~m

I

'

"

Ti~e

= 16 - -

13=35

39,66 N~ = nbre photon porvenont dons [o zone de focotisotion 20

10

i 5

i 10

i 15

,

xenl a m IL 20

Fig. 9. Evolution du rayon (x) de la z6ne de focalisation quand l'abscisse x du point d'~mission d~crit la trajectoire du proton de 1200 MeV/c dans le radiateur; (x) est ~valu6 pour les 4 longueurs d'onde centrales des 4 bandes composant la z6ne de sensibilit~ du d&ecteur. La contribution de chaque bande permet une estimation de ta largeur de l'image photonique que l'on comparera &la largeur de l'image d~tect6e.

bles d'exciter notre d6tecteur. La fig. 10b montre la variation pour chaque longueur d'onde du rayon pj de l'anneau correspondant en fonction de l'impulsion du proton incident. 3.2. Etude de In population de l'image

La courbe b, fig. 6, donne par tranche de 50 A, le nombre moyen de. photons 6mis par cm au niveau de la trajectoire des protons dans le fluorure de calcium, pour des impulsions comprises entre 800 et 1600 MeV/c. Ces photons subissent une absorption en voyageant dans ce cristal de la forme ¢ = ~oexp(-px). Pour les quatre bandes de rayonnement d6j& cit6es nous utiliserons les valeurs centrales figurant sur la courbe b de la fig. 4 aim d'6valuer le nombre de photons 6mergeant dans le compteur. Au franchissement des dioptres, la r6flexion R fonction des angles d'incidence et de r6fraction supprime aussi des photons et le flux transmis ~T s'exprime ~T = ¢I(1--R). Sous incidence normale la grille m6tallique fixant le potentiel au niveau du hublot pr6sente une transparence

o

J

800

1000

i

1200 1400 1600

Fig. 10. Caract~ristiques de la lumi~re Cherenkov revue par le d6tecteur en fonction de l'impulsion du proton incident. (a) Nombre de photons, (b) distribution radiales des photons dans la bande de longueur d'onde utile.

th6orique de 81%. Cette transmission varie avec l'angle d'incidence des photons selon T(O = To cos(i). Form6e d'un grillage en f'd de 50/am tiss6 au pas de 0,5 mm, elle pr6sente en plus un angle d'extinction de ~ 8 4 ° of] brusquement la transmission s'annule. En suivant la formation g6om6trique de l'image nous pouvons 6valuer le nombre de photons qui 6mergent dans la zOne de focalisation en fonction de l'abcisse de la z6ne d'6mission pour chaque bande de rayonnement. La fig. 11 pr6cise la compositions de cette population en dormant pour les 4 bandes de 50 A l e hombre de photons 6mergeant en fonction de l'abscisse de sa z6ne d'6mission, quand un proton de 1200 MeV/c traverse la lentille. Les points C figurant sur chaque courbe indiquent l'abcisse de la trajectoire & partir de laquelle les photons ne participent plus la formation de l'image h cause des diverses aberrations. On peut juger de l'importance de cette perte en comparant fig. 10a la courbe sup6rieure dormant le nombre total de photons dans et hors la z6ne de focalisation avec la courbe inf&ieure dormant le nombre de photons susceptibles de composer l'image Finale.

102

G. Comby et al. / DOtection d'anneaux Cherenkov P: 1200 Mev/c 15

Nj

N photon

a)

1 9

1625

•

6

~

~

~,--J"~$~ "~'~- ~

\~

"~

"~'

1575

•

. .

" Nj =nombre de photons 6mergents pot bonde de 50/~

NCo

N,20

3

+ 1625~, - -

1%66

~

2

o 1575 A ~ .1525 ~k ~

13,44 10,92

11,26 8,5

i \

l 800

', ;

4~

'~

~ '~,

'1 I

t t {

0

48,42 I 5

Mev/c i i i J J =_ 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600

~

J+

3g,66 10

1475

4 N photons 6 m e r g e n t s = F j = l N j E

I

i 900

• " ' ~ " - ~ j=l

l 15

Xmm

Fig. 11. Nombre de photons requs par le d6tecteur en fonction de l'abscisse x du point d'6mission dans le cristal F2Ca pour une impulsion fix6e et diff6rentes longueurs d'onde. Seuls les photons 6mis de x = 0 5 x = c parviennent dans la z6ne de focalisation. La fig. 12a fournit l'4volution du nombre de photons dans chaque bande de 50 A en fonction de l'impulsion du proton incident. Leur somme fig. 12b repr6sente le nombre de photons candidats h former l'image. En normalisant entre 1450 et 1650 A la courbe d'efficacit6 quantique du d6tecteur nous 6valuons pour chacune des bandes de 50 A sa participation relative ai fig. 7b. Nous pouvons donc calculer un facteur pr6s le nombre de photons d4tect4s qui devrafent former l'image de l'anneau et ce, pour chaque 6nergie. La courbe C de la fig. 12 trace cette variation indiquant un nombre d'impacts optimum par 4v6nement vers 1000 MeV/c.

4. Rdsultats expdrimentaux La fig. 13 pr6sente l'image cumul4e de 100 cycles d'acquisition. Des protons de 1,54 GeV/c passent au travers de la lentille. De l'argon haute puret6 (N 55) circule dans l'enceinte. Trois litres/heure d'argon bull6 dans du triethylamine alimentent le compteur. Cette d4tection est obtenue pour une tension cathode Vc comprise entre -800 et -900 V et une tension grille Vg comprise entre -900 et -1000 V. Le tirage optimum se situe dans ce cas au voisinage T = 16 mm. Cet

Mev/c 800

900

10'00 1100 12100 13'00 14'00 1500

16100

'NT T

10

"~'~

o)

NTT : [ ~ : l ( I j Ni

o

. 800

. 900

.

o' 'o

.

'o

' 1 00 11 0 1200 13 0 1400 1500

~ ,Me"/L 1600

Fig. 12. (a) Nombre de photons requs par le d6tecteur en fonction de l'impulsion et pour diff6rentes longueurs d'onde dans la bande utile, (b) cumul des courbes pr6c&tentes, (c) nombre de photons th6oriquement d6tect6s par 6v~nement (cette courbe est la convolution des courbes 12a et 7b).

enregistrement correspond &7,9 impacts/trigger. Darts les memes conditions en retardant le trigger de 3 ~s nous d6tectons un bruit de fond de 0,25 impact/trigger. Les photos b, c, d, de la fig. 13 reproduisent l'image d4tect6e pour des 6v6nements correspondant un seul trigger. 4.1. D~termination de la bande de rayonnement formant l'image

La borne sup6rieure de photo-sensibilit6 du d6tecteur est fix6e par le potentiel d'ionisation du TEA (1650 A). Dans le test pr4c4dent la borne inf6rieure est impos6e par la transmission du F2Ca (1250 A) puisque l'argon contenu dans l'enceinte poss6de une transmission proche de l'unit6 dans toute cette

G. Comby et al. / Ddtection d'anneaux Cherenkov

103

b

Fig. 13. Images d'anneaux Cherenkov enregistr~s exp6rimentalement ~ P = 1540 MeV/c (T = 16 mm). (a) Cumul sur 100 6v~nements, (b, c, d) 6vbnements uniques. r6gion. Si l'on remplit l'enceinte de m6thane (CH4) nous fixons par l~ m6me, la borne inf6rieure ~ 1450 A comme l'indique la courbe d'absorption relev6e au laboratoire sur la m6me qualit6 de m6thane (fig. 7c). Dans ces conditions l'observation sur 100 triggers, des anneaux Cerenkov obtenus r616ve un nombre d'impacts de 7,3/trigger. L'activit6 enregistr6e en d6calant de 3 ps le trigger est du m~me ordre de grandeur que le bruit de fond. Si maintenant nous remplaqons le m6thane par de l'air nous supprimons toute d6tection significative puisque l'air absorbe totalement les photons dans cette bande de longueur d'onde. En cons6quence l'image pr6c6demment enregistr6e provient uniquement des UVL produits en coincidence avec le passage des protons. Partant des conditions initiales (argon N 55 dans l'enceinte) si nous remplaqons le remplissage du compteur par un m61ange argon benz6ne nous fixons le seuil de photoionisation ~ 9,25 eV soit 1340 A. Bien que polluant assez rapidement les 61ectrodes ce m61ange permet un fonctionnement correct du compteur pour des tensions voisines de celles utilis6es avec le TEA. La d6tection obtenue ne diff6re pratiquement pas du bruit de fond pr6c6demment observ6. Le m~me test effectu~ en rempla~ant le benz6ne par du tolu6ne qui, en d6pit de sa faible tension de vapeur assure un bon fonctionnement du

d~tecteur, fixe la band U.V.L. utilisable entre 1250 et 1400 )k. Sur 100 triggers cumul6s nous d~tectons 68 impacts significatifs apr~s soustraction du bruit de fond. Compte tenu des observations faites lors des mesures d'efficacit6 sur le monochromateur, nous n'accorderons pas trop de credit ~ce demier r~sultat. En effet toutes ces vapeurs organiques impr~gnent tr6s fortement les matiSres plastiques, les graisses, les joints de caoutchouc etc. et sont, de ce fait tr6s difficiles ~ ~vacuer par simple changement du m~lange gazeux. La majeure partie de la sensibilit6 enregistr~e en argon toluene r6sulte de ce far d'une contamination en tri6thylamine. Cette succession de tests r6sum~s dans le tableau 2: nous conf'trme la largeur et la position de la bande de rayonnement efficace /~ former l'image avec un compteur multipointes rempli d'argon TEA; 92% des photons d6tect~s appartiennent g la bande 1 4 5 0 1650 A, - n o u s permet compte tenu du nombre de photons calculus parvenant darts le volume sensible du d6tecteur d'6valuer son efficacit6 quantique moyenne. 4.2. EfficacitO quantique du dOtecteur A partir des informations r6unies dans le tableau 2, nous avons calcul~ l'efficacit6 quantique moyenne du

G. Comby et al. / DOtection d'anneaux Cherenkov

104

Tableau 2 Proton de 1.54 GeV/c; radiateur (F2Ca); tirage 11 mm. L'impulsion du proton et la disposition du radiateur relativement au d~tecteur 6tant fix~es, ce tableau r~sume une succession de tests effectuant des coupures en longueurs d'onde dans le rayonnement Cherenkov soit au niveau de la transmission (modification du gaz de l'enceinte), soit au nouveau de la d~tection (modification de l'atmosph~re du compteur). Le rapport du nombre d'impacts d~tect~s au nombre de photons parvenant dans un volume sensible du compteur repr~sente l'efficacit~ quantique moyenne dans la bande de longueurs d'onde consid~r~e. Atmosphdre enceinte

M~lange d~tecteur

Argon Air CH4 Argon Argon

A + TEA A + TEA A +TEA A + C6H 6 A + toluene

Domaine de photosensibilit~ (A) 1250 1650 >2000 A 1450 1650 1250 1400 1250 1450

Nbre d'impacts pour 100 triggers

Nbre de "r incidents calcul6s

<< Efficacit~ quantique >> (%)

790 16 ~ bruit de fond 728 ~ bruit de fond 68

3000

26

3000 150 408

24 17

)

compteur dans la bande ( 1 4 5 0 - 1 6 5 0 A). Elle se situe autour de 25%. Conune nous l'avons vu dans l'analyse th6orique sect. 3, la composition des photons formant l'image varie avec l'impulsion de la particule incidente. En utilisant les produits o~i de la normalisation de l'efficacit6 quantique entre 1450 et 1650 A, nous pouvons exprimer l'efficacit6 quantique de chacune des bandes e/= ajrl, off

~7 =

Nbre impacts d6tect6s Z~= 1 Ngay

Avec les valeurs a s mentionn6es sur la fig. 7b, nous avons obtenus les r6sultats pr6sent6s dans le tableau 3, off scion les bandes de rayonnement consid~r6es es varie de 15 ~ 45%. De part sa d6finition, le param~tre r~ qualifie le comportement du d6tecteur et de ce fait pour des r6glages identiques, doit avoir une

Tableau 3 Valeur exp~rimentale du facteur d%cheUe r/ permettant le calcul de l'efficacit~ quantique relative .~ chaque bande ej. Quand l'impulsion change r/devrait rester h la m~me valeur. Au cours de l'exp~rience des modifications des param~tres sp~cifiques au d~tecteur ont intluenc~ son efficacit~ et par suite x. P (MeV/c)

r/

e (1475 A)

e (1525 A)

e (1575 A)

e (1625 A)

1200

0,66 0,707 0,655 1,07 1,12

0,17

0,28

0,17

0,054

0,16 0,26 0,28

0,27 0,45 0,47

0,16 0,26 0,28

0,05 0,085 0,09

1300 1400 1540

valeur constant quand varie l'impulsion des protons. Les fluctuations de ~7 observ6es ici sont davantage le reflet d'une modification des conditions exp6rimentales concernant le d6tecteur que du changement de la valeur de l'impulsion. Les nombreux tests sur l'appareillage nous ont amen6s h modifier des param6tres du d6tecteur qui ont influenc6 son efficacit6. N6anmoins, la pratique nous montre qu'h des conditions stables d'exploitation correspond une r6ponse reproductible du d6tecteur. Ces r6sultats peuvent 6tre compar6s h ceux obtenus par Brackmann [18] qui mesure 42% d'efficacit6 en photoionisation de la vapeur d'iode par des photons de 1100 ~i 1200 A.

4. 3. Population des anneaux L'image des 6v6nements cumul6s nous montre que des r6glages corrects du d6tecteur conduisent ~ une d6tection uniforme sur toute la surface sensible du compteur (fig. 13a). La fig. 14 donne pour 4 impulsions diff6rentes l'histogramme du nombre d'impacts sur une centaine d'6v6nements pour lesquels nous avons pu effectuer le calcul d ' u n cercle. Les rejets varient de 8 fi 40% sur les enregistrements d6pouill6s et pr6sent6s ici. Une large part provient de triggers erratiques provoqu6s par la composition tr6s rustique du faisceau, de larges variations de l'6nergie d'acc616ration au cours des p6riodes de test et de la disposition relative des scintiUateurs que l'on modifiait pour conserver un taux de trigger acceptable. En moyenne 6 impacts sont disponibles ~ chaque trigger pour d6finir l'anneau Cherenkov correspondant, r6sultat assez voisin des 6valuations du nombre d'impacts en fonction de l'impulsion des protons (fig. 12c). La forme

G. Comby et al. / D#tection d'anneaux Cherenkov

Nbre

105

~Nbre

20

P=1540 Hev/c T= 11

20

P=1200 Mev/c T= 30

,__(N)=8 ~...I

IN) POISSON= 6

k I

10

10

'q

0

2

/.

6

8

10

12

14

16

18

l Nbre

0

2

/,

6

8

10

12

11. 16

18

Nbre

20

P = 1400 Hev/c T = 15

20

P= 1300 Hev/c T= 15

~=7,6

~T'I

F1 ,_.,=8

~= 5,28

ILl'

....

lO

1

2

/,

6

8

10

12

14

16

18

0

2

N.I/evt = nombre

/,

6

8

10

12

1/,

16

18

d'impoct/~v~nement

Fig. 14. Histogramme du nombre de photons d~tect~s par trigger sur une population d'une centaine d'~v~nements pour 4 impulsions diff~rentes des protons incidents.

annulaire de la surface sensible de notre d6tecteur avec une z6ne aveugle au centre a limit6 les possibilit6s d'exploration et nous ne poss6dons pas pour l'instant d'enregistrement pour des impulsions inf6rieures & 1200 MeV/c.

4.4. Rayon de l'anneau Le calcul de rayon s'effectue ~ partir de 3 points au moins et pour un nombre sup6rieur d'impacts les coordonn6es du centre et le rayon sont accompagn~s de leur incertitude. L'histogramme des rayons obtenus avec des protons de 1400 MeV/c et un tirage de 15 mm indique une dispersion de l'ordre de

-+2 mm (fig. 15) beaucoup plus 6troite que ne laisse pr6voir l'analyse th6orique. Cette observation n'est pas isol6e et les histogrammes voisins obtenus pour d'autres impulsions la confirment. En excluant momentan6ment les fluctuations d'impulsion, ceci s'accorde ~ montrer que l'aberration chromatique est limit6e et par cons6quent que la d6tection a lieu effectivement dans un domaine 6troit de rayonnement comme l'indique la courbe d'efficacit6 quanticlue (fig. 7a). La rayon varie rapidement en fonction du param6tre T: espace entre la lentille et le hublot, comme l'iUustrent sur la fig. 15b les histogrammes correspondant & des protons de 1200 MeV/c et des tirages de 15 et 30 mm. La fig. 15a montre pour un

106

G. Comby et aL /D#tection d'anneaux Cherenkov

N evt

Histoqrommedu rGyonp_ p=f(P) T=15mm

30 "P = 1200MeV/c

Histoqrammedu rayon p_ p:f(T) P=1200P1ev/e

N evt

P:I/,00 Mev/c

30

T=15 l.]

20 L_

10

o10

o) 0

,, i

30

i

i

35

i

I

b) .

1.0

.

.

.

Y

.

.

.

t

T:3 0

I.

0

,

30 35 40 ~5 50

--

Fig. 15. Histogramme des rayons relev~s experimentalement pour chaque ~v~nement; (a)pour 2 impulsions diff~rentes P = 1200 et 1400 MeV/c sans changer la g~om~trie (T = 15 mm), (b) pour 1 meme impulsion 1200 MeV/c et deux positions du radiateur ( T = 1 5 e t T=30mm).

m~me tirage les histogrammes des rayons d'anneaux produits par des protons de 1200 et 1400 MeV/c. Les figures se detachent difficilement comme le prevoyait ]'etude theorique (fig. 10b). Une definition tres precise de l'impulsion de la particule incidente nous aurait permis de mesurer la resolution en impulsion d ' u n tel montage. Les rayons calcules ~ partir des divers tests sont compatibles aux dispersions pros avec les rayons evalues (tableau 4). Ceci indique une bonne compatibilit6 entre les valeurs de l'indice de refraction utilise dans les calculs (fig. 4a) et l'indice effectif du fluorure de calcium formant la "lentille-radiateur". Le manque de resolution en 6nergie resulte

davantage du dispositif de production des photons Cherenkov que de l'appareillage d'observation. Le melange a r g o n - T E A s'est montre suffisamment efficace pour detecter les photons emis dans une bande large de 200 A. Vu l'importance des aberrations chromatiques, il serait souhaitable de retrecir le domaine de sensibilite, mais ceci reste u n compromis entre le nombre de photons candidats et la probabilite de creer un photoelectron. Le param~tre r/ decrit une efficacite quantique e ~ 4 2 % pour 1500 < ? ~ < 1 5 5 0 A qui semble proche de son maximum. Les travaux de Hurzeler [19] indiquent, pour l'ethylamine, des variations de e en fonction de la longueur

Tableau 4 Rayon de l'anneau Cherenkov calcul~ et mesur6 pour diff~rentes valeurs de Pet T. Ce tableau regroupe pour diff~rentes impulsions des protons et divers tirages, les rayons moyens p de la zone de focalisation correspondant fi chacune des 4 bandes de rayonnement. ~ moyenne des valeurs pr~c~dentes, est ~ comparer ~ Oexp, valeur moyenne d'une centaine d'ev~nements sur lesquels on a ajust~ un cercle, rp repr~sente la racine carrie de la variance de la population des rayons admettant pexp pour moyenne. Les valeurs ~tiquet~es par "A" proviennent d'un autre calcul et caract~risent la largeur de l'image "Visualis~e". C'est l'incertitude sur les Pexp, calculee avec les produits de l'ajustement d'un cercle sur tousles impacts composant l'image mais n'intervenantqu'une seule fois dans le calcul. P (MeV/c)

T (ram)

7) (1475 A)

P (1525 A)

P (1575 A)

~ (1625 A)

Pcal

Pexp

~'P(exp)

1200 1400 1540 1200

15 15 16 30

37,46 43,78 48,62 57,32

34,86 41,1 45,86 52,56

32,48 38,34 43,08 49,92

30,27 36 40,73 47,28

33,77 39,8 44,57 51,78

33,68 36,92 43,28 48,7

1,92 2,19 1,13 A 3

1540 1540 1540

11 16 21

40,36 48,62 55,95

37,7 45,86 53,08

34,86 43,08 50,21

32,6 40,73 47,7

36,38 44,57 51,73

34,12 43,28 47,89

2,36 1,13 A 0,88 A

G. Comby et al. / D~tection d'anneaux Cherenkov

d'onde semblables ~ celles que nous avons obtenues. Par suite, il est peu probable d'accroite e pour les bandes voisines avec ce m61ange. De ce fait, l'efficacit6 quantique moyenne de ce compteur est pratiquement o p t i m u m entre 25 et 30% pour des rayonnements compris entre 1450 et 1650 A. Nous avons tent6 d'6tendre ce maximum de sensibilit6 vers 1400 A en utilisant un m61ange argon-TEA-tolu6ne qui, pour les m6mes valeurs des hautes tensions, assure le fonctionnement du compteur. Malheureusement, aucun accro~ssement d'efficacit~ n'a 6t~ observ6. En r6sum6, cette exp6rience se rapproche de celle r6alis6e par Charpak et ses collaborateurs [20], o~ la lumi6re Cherenkov se d6veloppait dans un hublot de fluorure de lithium de 5 m m d'6paisseur et oO la d6tection consistait h enregistrer sur film les impacts d'une chambre ~ 6tincelles associ~e ~ un espace de pr6amplification gazeuse. Utilisant la m~me vapeur organique, les exp6riences diff6rent essentieUement par le mode d'exploitation qui permet, dans notre cas, un traitement en ligne des informations.

5. Conclusions Cette exp6rience avait essentiellement pour but de tester la capacit6 des compteurs multipointes ~ focalisation cathodique h enregistrer les produits de l'effet Cherenkov relatif ~ une settle particule. Ceci revient tester simultan6ment: - son efficacit6 quantique, - ses performances en imagerie (d6tection et localisation de n o m b r e u x 6v6nements simultan6s. Grace h la richesse du rayonnement Cherenkov, des compteurs, de fabrication simple et rustique, ont pu 6tre sensibilis6s dans I'U.V.L. par l'adjonction d'une vapeur photoionisante. De part leur structure multi-cellulaire et l'ind6pendance des cellules, ces compteurs se pr6tent parfaitement ~ la d6tection locale de plusieurs 6v6nements simultan~s. Les r6sultats d6duits de cette exp6rience confirment les capacit6s de ce t y p e de d6tecteur ~ r6pondre aux probl~mes pos6s par l'imagerie en g6n6ral et plus particuli6rement par les ."ring-imaging Cherenkov device" grfice h leur faible encombrement, ~ leur capacit6 h former des surfaces non d6veloppables, h leur faible densit6 de mati6re par unit6 de surface. Ils nous invitent ~i envisager les d6veloppements futurs dans trois voies: a) l'adaptation de ce compteur ~ des montages n6cessitant une grande acceptance et par cons6quent

107

une vaste surface photo-sensible r6solvant les probl6mes d'imagerie, b) l'adaptation de ce compteur h des rayonnements UV moins 6nergiques afin de r6duire les aberrations chromatiques et d'61iminer de nombreux problames optiques et techniques li6s ~ l'emploi des rayonnements de longueur d'onde inf6rieure 2000 A, c) l'adaptation de ce d6tecteur ~ la d6tection, pour I'imagerie, des photons plus 6nergiques n6cessitant par exemple l'utilisation d'espace de conversion (gaz sous pression, sandwich massique, etc.). Bien 6videmment ce d~tecteur r6pond ~ toute particule ionisante et peut r6soudre de nombreux probl~mes de localisation de z6nes actives. Ces travaux ont pu 6tre entrepris et men6s h bien grhce au soutien de M. le Prof. Lehmann et de M. Prugne que nous remercions vivement. M. Thirion, Directeur du nouvel acc616rateur Saturne II et M. Beurtey, ont accept6 et facilit6 l'implantation de l'exp6rience aupr6s de l'acc616rateur encore en test. Nous les en remercions tr6s sinc6rement de m6me que M. Lefr6re et son groupe pour leur empressement ~ r6aliser des conditions agr6ables de travail sur l'aire exp6rimentale.

References [1] [2] [3] [4]

J.H. Marshall, Phys. Rev. 91 (1953) 905. A. Roberts et al., Nucl. Instr. and Meth. 9 (1960)55. D.M. Binnie et al., Nucl. Instr. and Meth. 21 (1963) 81. M.M. Butslov et al., Nucl. Instr. and Meth. 20 (1963) 263. [5] G.T. Reynolds et al., Nucl. Instr. and Meth. 20 (1963) 267. [6] R. Giese et al., Nucl. Instr. and Meth. 88 (1972) 83. [7] R. Benwell, Nucl. Instr. and Meth. 28 (1964) 269. • [8] P. Iredale et al., IEEE Trans. Nucl. Sci. NS-13, no. 3 (1966) 399. [9] M. Benot et al., Nucl. Instr. and Meth. 11 (1973) 397. [10] J. Seguinot et al., Nucl. Instr. and Meth. 142 (1977) 377. [11] Y. Tanaka et al., J. Opt. Soc. Am. 48 (1958) 304. [12] J. Vasseur and Cantin, 1 lth Int. Syrup. on Spectroscopie, Belgrade (1963). [ 13 ] G. Comby et al., Rapport interne DPhPE/STIPE/79/04/ 150. [14] R. Tousey, Phys. Rev. 50 (1936) 1057. [ 15 ] T. Ypsilantis, Communication priv~e. [16] T. Tomiki et al., J. Phys. Soc. Jap. 27 (1959) 658. [17] J.L. Augueres, D. DuvaUet Rapport interne STIPE (1976). [18] R.T. Brackmann et al., Rev. Sci. Instr. 29 (1958) 125. [19] H. Hurzeler et al., J. Chem. Phys. 27 (1957) 313. [20] G. Charpak et al., Rapport CERN-EP/79-31.