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Determination de l'intensite d'un faisceau de deutons extrait d'un synchrotron et mesure des sections efficaces des reactions 12C(d, p2n)11C et 27Al(d, 3p2n)24Na á 2,33 GeV
NUCLEAR INSTRUMENTS
A N D M E T H O D S 95 (t97 I) 3 o 7 - 3 l i ; © N O R T H - H O L L A N D
PUBLISHING
CO.
D E T E R M I N A T I O N DE L ' I N T E N S I T E D ' U N FAISCEAU DE D E U T O N S EXTRAIT D ' U N S Y N C H R O T R O N ET M E S U R E DES S E C T I O N S EFFICACES DES R E A C T I O N S
x2C(d,p2n)~aC ET 27Al(d,3p2n)24Na $ 2,33 GeV J. BANAIGS, J. BERGER, J. DUFLO, L. G O L D Z A H L et O. H A R F F
CNRS, DOpartement Saturne, Saclay, France M. COTTEREAU et F. LEFEBVRES
Laboratoire de Physique Corpusculaire, Universitd de Caen, France H. QUI~CHON et P. TARDY-JOUBERT
Service de Protection contre les Radiations, Saclay, France Re~u le 1 mars 1971 A device which integrates the 0erenkov light produced in a solid radiator is used to measure the intensity of a 3.76 GeV/c deuteron beam extracted from the synchrotron Saturne. This device is calibrated by a proton beam which has the same velocity as the deuteron beam and therefore produces the same 0erenkov light.
The intensity of the equivalent proton beam is measured by irradiating thin carbon and aluminium targets. The deuteron beam thus calibrated permits the measurement of cross sections for the reactions lZC(d,p2n)I1C and -~7Al(d,3p2n)24Na.
1. Introduction
1. Des protons acc616r6s jusqu'~t l'impulsion 1,88 GeV/c ( T = 1,16 GeV) traversent successivement nne cible mince de carbone ou d'aluminium et le radiateur solide d'un d6tecteur Cerenkov. Les sections efficaces d'activation du carbone et de l'aluminium par les protons 6tant connues, la mesure de l'activit6 fl induite dans les cibles permet de remonter au nombre de protons incidents et d'6talonner la r6ponse du d6tecteur 12erenkov en protons d'impulsion 1,88 GeV/c ainsi qu'en deutons d'impulsion double 3,76 GeV/c. Les caract6ristiques des r6actions d'activation utilis6es sont donn6es dans le tableau 1. 2. L'acc616rateur d61ivrant ensuite des deutons de 3,76 GeV/c on proc6de /t de nouvelles irradiations. L'indication fournie par le d6tecteur (~erenkov pr6c6demment 6talonn6 permet de d6terminer l'intensit6 du faisceau de deutons; la mesure de l'activit6 des cibles de carbone et d'aluminium permet ensuite d'6valuer les sections efficaces des r6actions d'activation 12C(d,p2n)llC et 27Al(d,3p2n)Z4Na (relativement aux sections efficaces des r6actions correspondantes induites par les protons).
La d6termination de l'intensit6 des faisceaux de protons de haute 6nergie fait souvent appel/t la mdthode d'aclivation de cibles minces. Cependant si les fonctions; d'excitation d'un certain nombre de r6actions d'activation induites par les protons sont maintenant bien connues 1) il n'en est pas de marne pour l'activation induite par les deutons qui n'a donn6 lieu qu'/t des mesures pour des 6nergies infdrieures/t 200 MeV. Nous nou,; proposons de ddcrire la m6thode utilis6e pour ddterminer l'intensit6 du faisceau de deutons d'impulsJion 3,76 GeV/c ( T = 2 , 3 3 GeV) extrait du Synchrotron Saturne de Saclay, faisceau qui a 6t6 utilis6 pour diverses exp6riences2-4). Cette mdthode nous a d'autre part permis d'obtenir les sections efficaces des r6actions d'activation 12C(d,p2n) 11C et 27Al(d,3p2n)24Na 5_ l'6nergie T = 2,33 GeV.
2. M6thofle exp~rimentale L'acc616rateur d61ivrant environ 5 x 101° deutons par cycle pour un d6versement moyen de 250 msec, la mesure de l'intensit6 du faisceau par comptage d'impulsions est exclue. La m6thode utilis6e est bas6e sur le fait qu'un proton et un deuton de m~me vitesse fournissent la m~me lumi~re (~erenkov en traversant le m~me milieu radiatif; sa mise en oeuvre repose sur la pos,;ibilit6 qu'a le synchrotron Saturne d'acc616rer alternativement des protons et des deutons et de communiquer 5_ ces deux types de particules des vitesses finales identiques. Les mesures sont conduites de la fa~on suivante:
3. Le d6tecteur (~erenkov La partie sensible de ce d6tecteur (fig. l ) e s t constitu6e par une lame de plexiglass de dimensions 12 x 12 x 0,8 cm 3 dont les faces ont 6t6 d6polies par sablage. Une fraction de la lumibre Cerenkov qui y est produite est dirig6e vers un photomultiplicateur grace h u n miroir inclin6 ~t 45 ° sur le faisceau incident. Le fait d'avoir d6poli les faces de la lame rend la quantit6
307
308
J. B A N A 1 G S
et al.
TABLEAU |
Activation par les protons de 1,88 GeV/c. Reaction d'activation
Section efficace
12C(p,pn)I1C
(28 _+1,4) mb t)
eTAl(p,n3p)ZaNa
P6riode du radio61hment nc(20,4 rain)
(10,2+0,7) mb t)
~'~Na(15,0 h)
de lumibre collect6e trbs peu sensible 5_ la forme et aux 16gers d6placements du faisceau. Les propri6t6s optiques de la cellule de plexiglass 6voluant sous Faction des rayonnements, ce qui se traduit par une opacification progessive, le d6tecteur (~erenkov n'6tait introduit dans le faisceau que pour les 6ta|onnages et ces mesures 6taient suffisamment br6ves pour pouvoir n6gliger ce vieillissement. A chaque d6versement de i'acc616rateur le courant d'anode du photomultiplicateur est int6gr6 sur la capacit6 du c~tble coaxia| ( C ~ 3 5 0 0 pF) qui relie l'anode ~ un amplificateur 61ectrom~tre d'imp6dance d'entr6e en service ~ 4 × 103 MQ. La tension V~ qui apparait aux bornes de l'amplificateur en fin de d6-
1
---~
2
Rayonnements 6ntis /~+: 0,97 (f~-: 1,39 ]),1" : 1,37 L?'~ : 2,75
MeV MeV MeV MeV
(100~,,~) (100%)
(100%) (100}/o)
versement est proportionnelle/t la quantit6 de lumibre produite dans la lame, donc au nombre de particules d6vers6es. Cette tension est 6chantillonn6e par un codeur, du type analogique-digital, qui fournit un train d'impulsions enregistr6 par une 6cheIle de comptage. En dehors du d6versement des particules l'entr6e de l'amplificateur est raise /~ la masse par l'interm6diaire d'un relais pour assurer la d6charge du cable. La commande du relais est assur6e par une impulsion "porte" qui est centr6e sur le d6versement. Un signal "fin de porte" donne l'ordre d'6chantillonnage, juste avant la d6charge du c&ble (retard de fermeture du relais). L'amplificateur et le codeur utilis6s 5) permettent
m
r--
s--
cible irradi~¢
faisceau des particutes ...... p
,~, 4 0 0 m ~
C-_ 3500pf CaN,
i
d(tvcr~ement ides particules
~I~I[I["F
--i
KX2_50n
!
i
2
Inm¢ de' ptexiglass
m
h
miroir hu blot
P
photomultipiicateur 56 AVP03
A
amplificatcur haut¢
CAD R
codeur analogique digital rel,',is ~ tres haut isolement
Ech.
~chelle de comptage
i
impulsion porte de commande ~
retard de coupur¢ du re.lais
;
- O
~f
vi ~command¢
t
Ech.
d'~chant illonnage
I Fig. 1. D6tecteur (~erenkov et 61ectronique associee.
imp~lanc¢
IOV-~I000cps
L~INTENSITE
D'UN
FAISCEAU
d'analyser, avec une lin6arit6 meilleure que 1%, des tensions comprises entre 0 et 10 V. Le rapport de conversion est de 100 impulsions par volt.
des carrds de la mosaique permettent de remonter /t cette activit6 totale en fin d'irradiation: a =
4. Activit6 induite dans les eibles de earbone et
Les cibles de carbone (graphite de puret6 nucldaire6paisseur 5 mm) et d'aluminium (puret6 99,99% 6paisseur, 1,5 ram), de surface 12 x 12 cm 2, sont constitu6es d'une mosa'~que de 16 carr6s 616mentaires 3 x 3 cm 2. Apr6s des irradiations de 2/~ 4 min pour le carbone et de 10/t 20 min pour l'aluminium, l'activit6 fl de chacun de ces carr6s est d6terminde /~ l'aide d'un ensemble de comptage /t faible mouvement propre ( ~ 2 coups/min) 6quip6 d'un compteur g circulation d'hdlium isobutane fonctionnant en r6gime GeigerMiiller. La fenatre mince du compteur a un diam6tre de 60 m m et la g6om6trie des comptages est proche de 2:n. Le compteur et son 6talonnage sont ddcrits dans la rdf. 6 off sont 6galement expos6es les corrections 5. appliquer pour les comptages sur sources fl autoabsorbantes. Les durdes d'irradiation choisies sont suffisantes pour obtenir une prdcision statistique meilleure que 1% sur les comptages et cependant assez faibles devant les pdriodes de 11C et 24Na pour rendre ndgligeables les corrections dues ~ d'6ventuelles variations de l'intensit6 du faisceau extrait. Dans la majeure partie des irradiations environ 90% de l'activit6 induite 6tait rdpartie dans les 4 carr6s centraux de la mosaique. A la fin d'une irradiation de durde t~ l'activit6 totale de la mosaique a pour expression 1 - e -at~
A = ~px~----,
(1)
tl
avec ¢b: nombre total de particules incidentes pendant ['irradiation; a: section efficace de la r6action d'activation; 2: constante de d6croissance du radionucl6ide form6; x: ,Spaisseur de la cible, en g/cm2; p: densit6 nucldaire de la cible*, en nombre de noyaux par gramme. Les comptages fl effectu6s successivement sur chacun * D a n s le cas du carbone n o u s avons, c o m m e il est d'usage, assimiI6 13C a 12C. t Les c o m p t a g e s {4 relatifs au 24Na ont 6t6 multipli6s par un facteur correctif 6gal 5. 0,89 et d6termin6 exp6rimentalement I'aide d'ecrans a b s o r b a n t s , p o u r tenir c o m p t e de la sensibilit6 du c o m p t e u r fl a u x p h o t o n s 6nergiques. + Valeurs d e / z et R utilis6es: c a r b o n e ( / z = 1 5 cm2/g; R = l , 1 5 ) , a l u m i n i u m (/z = 11 cm2/g; R = 1,28).
(2)
e at2'' 1._i=1
d'aluminium
309
DE D E U T O N S
l - e -at3''
G R 1 - e -"x '
avec temps 6c0u16 entre la fin de l'irradiation et le d6but du comptage sur le ibme carr6; t3,i: durde du comptage sur le ibme carr6; Ni: comptage int6gral obtenu pendant t3,~ et corrig6 si ndcessaire des pertes dues au temps mort*; G: rendement gdom6trique du compteur; R: facteur de r6trodiffusion des fl; i ~ x / ( 1 - e - , x ) : facteur tenant compte de 1'absorption, suppos6e exponentielle, des fl dans la cible +. En combinant (1) et (2)il vient: t2,/
q~a = k C a = I_.i= 1
1
e ~'2''
p G R l _ e - U x l _ e -at1 '
(3)
off C d6signe le nombre d'impulsions d61ivr6es par le codeur d'amplitude pendant 1'irradiation et I¢ la valeur d'une de ces impulsions en nombre de particules incidentes, valeur qui, rappelons le, est la m~me pour des protons de 1,88 GeV/c et des deutons de 3,76 GeV/c. 5. R~sultats 5 . l . INTENSITI~ DU FAISCEAU DE DEUTONS
L'intensit6 du faisceau de deutons de 3,76 GeV/c et l'6talonnage des moniteurs secondaires utilis6s dans les exp6riences effectu6es avec ce faisceau sont obtenus en d6terminant la valeur de k [relation (3)] par irradiation d'une cible de carbone avec des protons de 1,88 GeV/c. Quatre irradiations successives ont donn6 des r6sultats compatibles entre eux 5. _+ 3% pros, mais une erreur syst6matique d'environ 10% affecte cette valeur de k; elle provient: 1. de l'incertitude ( + 5%) sur la valeur de la section efficace d'activation du carbone par les protons de 1,88 GeV/c; 2. des incertitudes sur les valeurs des coefficients g ( + 5%) et R ( + 5%) de la relation (2). L'addition de ces erreurs conduit/l une incertitude maximum de __ 15% pour k; leur combinaison quadratique donne + 8,7%. Une incertitude sur k d'environ 10% parait donc raisonnable. La faible contribution des nucl6ons secondaires /t l'activation des cibles a 6t6 n6glig6e. Le faisceau de deutons 6talonn6 nous a permis notamment d'6tudier le spectre de masse manquante
310
J. BANAIGS et al.
de la r6action d + p ~ d + ( M M ) + 3). Ce spectre, qui est d6duit du spectre en impulsion des deutons secondaires 0~m 6mis h 0t~b = 0 o (et ' . = 180°), p a r r a p p o r t aux deutons incidents, pr6sente un pic dfi ~t la r6action h deux corps N + p + Nspe~ta~e,~ d + n + Nspectateur induite p a r des nucl6ons incidents d ' i m p u l s i o n moiti6 de celle des deutons ( a p p r o x i m a t i o n en impulsion). L ' a n a l y s e de ce pic p e r m e t de r e m o n t e r ~ la section efficace diff6rentielle de la r6action p p ~ d ~ z +, relative & l'6mission du deuton dans la direction 01,b = 0 ° (0~* = 180 °) et & des p r o t o n s incidents de 1,88 GeV/c. La fig. 2 m o n t r e que le r6sultat obtenu, 9 3 _ 19 /&/sr, s'ins~re bien entre les valeurs ant6rieures 7-9) et ceci confirme la c a l i b r a t i o n de l'intensit6 du faisceau de deutons*.
dff/d~
pb/sr
p+ 104
p .--~ d + ~ l
t [7]
RM.Heinz eta{. [ 8 ] 10 3
[
Reaction
T= 2,33 GeV
T= 0,19 GeV
12C(d,p2n)~lC
(41,7_+2,9)mb
(61,1 _+0,6) mb t°) t(28,8 _+0,3) mb t°) ~ (22+_2) mb H)
(15,25_+ 1,5) nab
du
C.Richard_ Serr¢
_
TABLEAU 2
Sections efficaces d'activation.
~TAl(d,3p2n)'-'4Na
'+
Section eff~cace dift~rentlelte pour ['~mission deuton & 81ab = 0° ( %m- 180° ) I
caces d ' a c t i v a t i o n ad(3,76)/%(1,88 ). L ' e r r e u r affectant aa provient essentiellement de l'erreur sur la valeur c o r r e s p o n d a n t e de ap (cf. tableau 1) et des erreurs statistiques ( ~ __+1°/o) sur les diff6rents comptages. En effet les coefficients/t et R s'dliminent dans l'expression ad/% relative ~ la f o r m a t i o n du m~me radiodldment dans la m6me cible. Les rdsultats obtenus sont donn6s dans le t a b l e a u 2. A titre de c o m p a r a i s o n nous y avons ajout6 les valeurs c o r r e s p o n d a n t & des deutons de 0,19 G e V lo,1t).
F.Turkot et at.
[9]
notr~ zxp~ri~nc~
¢
.102
Cette m 6 t h o d e de mesure v a n o u s p e r m e t t r e au cours d ' u n e p r o c h a i n e s6rie d'exp6riences de m e s u r e r l'intensit6 du faisceau de deutons extrait de Saturne p o u r des impulsions comprises entre 2 G e V / c et 3,8 GeV/c. Des am61iorations seront apportdes ~t l ' a p p a reillage de mesure ((~erenkov, mesure de l ' a c t i v a t i o n des 6chantillons) de mani~re ~ d6finir un certain n o m b r e de r6actions " p i l o t e s " utilisables p o u r la mesure directe des faisceaux intenses de deutons de haute 6nergie, avec une erreur voisine de celle qui affecte la section efficace de la r6action aZC(p,pn)~lC. Signalons que nous pensons a p p l i q u e r cette m d t h o d e de mesure aux faisceaux de particules ~ qui seront acc616r6s dans le s y n c h r o t r o n Saturne.
.10
Cette exp6rience a @6 r6alisde gr&ce au soutien du C.E.A., du C . N . R . S . et de l'Universit6 de Caen. P . . . .
15t
Impulsion du proton incident
. . . .
2!0
. . . .
GeV/c 2!5
'
r
Fig. 2. Section efficace differentielle pour l'6mission du deuton & 0~,= 0 ° (0*era= 180°) darts la reaction pp -~-d~+.
5.2. SECTIONS EFFICACES DES RI~ACTIONS 12C(d,p2n)1ac
ET 27Al(d,3p2n)24Na t Deux irradiations successives d ' u n e m6me cible de c a r b o n e ou d ' a l u m i n i u m , l'une avec des p r o t o n s de 1,88 GeV/c, l ' a u t r e avec des deutons de 3.76 GeV/c, p e r m e t t e n t de d6terminer le r a p p o r t des sections effi-
* La vateur 191+38Fb/sr port6e sur la fig. 2 5. l'impulsion 1,795 GeV/c a 6te obtenue de la m/:me fagon &partir de deutons incidents de 3.59 GeV/c. On notera cependant que pour cette impulsion nous n'avons pu, faute de temps, etalonner le dispositif Cerenkov h l'aide de protons d'impulsion moitie. L'intensite du faisceau de deutons de 3,59 GeV/c a ere obtenue en irradiant des eibles de carbone avec ces deutons et en supposant que la section efficace d'activation a m/:me valeur ~t 3,59 et & 3,76 GeV/e. t La notation 12C(d,p2n)11C n'implique pas qu'il y ait ndcessairement emission d'un proton et de deux neutrons; elle sousentend tousles processus aboutissant /t la formation du 11C: /:mission d'un deuton, de pions... Une remarque analogue est valable pour les notations t2C(p,pn)~lC, 2VAl(d,3p2n)24Na, '-'7Al(p,n3p)e4Na.
L ' I N T E N S I T E D UN F A I S C E A U DE DEUTONS
R6f6!renees 1) j. B. Cumming, Ann. Rev. Nucl. Sci. 13 (1963) 261. 2) j. Banaigs, J. Berger, M. Cottereau, J. Duflo, L. Goldzahl et F. Lefebvres, Nucl. Phys. B23 (1970) 596. :3) j. Banaigs, J. Berger, M. Cottereau, J. Duflo, L. Goldzahl et F. Lefebvres, Nucl. Phys. B28 (1971) 509. 4) j. Banaigs, J. Berger, J. Duflo, L. Goldzahl, M. Cottereau et F. Lefebvres, Conf. Intern. Lurid (Juin 1969); Conf. Les interactions cohdrentes (Trieste, Sept. 1970). 5) Dasemble "Amt)lificateur-Codeur", communication et r6alisa-
311
tion G. Thion, D. P. H. P. E., C.E.N., Saclay. G) j. Lamberieux, Rapport CEA no. 2251 (1963). 7) C. Richard-Serre, Rapport CERN, MSC, 68-40 (1968). s) R. M. Heinz, O. E. Overseth et D. E. Pellett, Phys. Rev. 167 (1968) 1232. q) F. Turkot, G. B. Collins et T. Fujii, Phys. Rev. Letters 11 (1963) 474. 10) W. E. Crandall, G. P. Millburn, R. V. Pyle et W. Birnbaum, Phys. Rev. 101 (1956) 329. 10 R. IE. Batzel, W. W. T. Crane et G. D. O'Kelley, Phys. Rev. 91 (1953) 939.
A N D M E T H O D S 95 (t97 I) 3 o 7 - 3 l i ; © N O R T H - H O L L A N D
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D E T E R M I N A T I O N DE L ' I N T E N S I T E D ' U N FAISCEAU DE D E U T O N S EXTRAIT D ' U N S Y N C H R O T R O N ET M E S U R E DES S E C T I O N S EFFICACES DES R E A C T I O N S
x2C(d,p2n)~aC ET 27Al(d,3p2n)24Na $ 2,33 GeV J. BANAIGS, J. BERGER, J. DUFLO, L. G O L D Z A H L et O. H A R F F
CNRS, DOpartement Saturne, Saclay, France M. COTTEREAU et F. LEFEBVRES
Laboratoire de Physique Corpusculaire, Universitd de Caen, France H. QUI~CHON et P. TARDY-JOUBERT
Service de Protection contre les Radiations, Saclay, France Re~u le 1 mars 1971 A device which integrates the 0erenkov light produced in a solid radiator is used to measure the intensity of a 3.76 GeV/c deuteron beam extracted from the synchrotron Saturne. This device is calibrated by a proton beam which has the same velocity as the deuteron beam and therefore produces the same 0erenkov light.
The intensity of the equivalent proton beam is measured by irradiating thin carbon and aluminium targets. The deuteron beam thus calibrated permits the measurement of cross sections for the reactions lZC(d,p2n)I1C and -~7Al(d,3p2n)24Na.
1. Introduction
1. Des protons acc616r6s jusqu'~t l'impulsion 1,88 GeV/c ( T = 1,16 GeV) traversent successivement nne cible mince de carbone ou d'aluminium et le radiateur solide d'un d6tecteur Cerenkov. Les sections efficaces d'activation du carbone et de l'aluminium par les protons 6tant connues, la mesure de l'activit6 fl induite dans les cibles permet de remonter au nombre de protons incidents et d'6talonner la r6ponse du d6tecteur 12erenkov en protons d'impulsion 1,88 GeV/c ainsi qu'en deutons d'impulsion double 3,76 GeV/c. Les caract6ristiques des r6actions d'activation utilis6es sont donn6es dans le tableau 1. 2. L'acc616rateur d61ivrant ensuite des deutons de 3,76 GeV/c on proc6de /t de nouvelles irradiations. L'indication fournie par le d6tecteur (~erenkov pr6c6demment 6talonn6 permet de d6terminer l'intensit6 du faisceau de deutons; la mesure de l'activit6 des cibles de carbone et d'aluminium permet ensuite d'6valuer les sections efficaces des r6actions d'activation 12C(d,p2n)llC et 27Al(d,3p2n)Z4Na (relativement aux sections efficaces des r6actions correspondantes induites par les protons).
La d6termination de l'intensit6 des faisceaux de protons de haute 6nergie fait souvent appel/t la mdthode d'aclivation de cibles minces. Cependant si les fonctions; d'excitation d'un certain nombre de r6actions d'activation induites par les protons sont maintenant bien connues 1) il n'en est pas de marne pour l'activation induite par les deutons qui n'a donn6 lieu qu'/t des mesures pour des 6nergies infdrieures/t 200 MeV. Nous nou,; proposons de ddcrire la m6thode utilis6e pour ddterminer l'intensit6 du faisceau de deutons d'impulsJion 3,76 GeV/c ( T = 2 , 3 3 GeV) extrait du Synchrotron Saturne de Saclay, faisceau qui a 6t6 utilis6 pour diverses exp6riences2-4). Cette mdthode nous a d'autre part permis d'obtenir les sections efficaces des r6actions d'activation 12C(d,p2n) 11C et 27Al(d,3p2n)24Na 5_ l'6nergie T = 2,33 GeV.
2. M6thofle exp~rimentale L'acc616rateur d61ivrant environ 5 x 101° deutons par cycle pour un d6versement moyen de 250 msec, la mesure de l'intensit6 du faisceau par comptage d'impulsions est exclue. La m6thode utilis6e est bas6e sur le fait qu'un proton et un deuton de m~me vitesse fournissent la m~me lumi~re (~erenkov en traversant le m~me milieu radiatif; sa mise en oeuvre repose sur la pos,;ibilit6 qu'a le synchrotron Saturne d'acc616rer alternativement des protons et des deutons et de communiquer 5_ ces deux types de particules des vitesses finales identiques. Les mesures sont conduites de la fa~on suivante:
3. Le d6tecteur (~erenkov La partie sensible de ce d6tecteur (fig. l ) e s t constitu6e par une lame de plexiglass de dimensions 12 x 12 x 0,8 cm 3 dont les faces ont 6t6 d6polies par sablage. Une fraction de la lumibre Cerenkov qui y est produite est dirig6e vers un photomultiplicateur grace h u n miroir inclin6 ~t 45 ° sur le faisceau incident. Le fait d'avoir d6poli les faces de la lame rend la quantit6
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J. B A N A 1 G S
et al.
TABLEAU |
Activation par les protons de 1,88 GeV/c. Reaction d'activation
Section efficace
12C(p,pn)I1C
(28 _+1,4) mb t)
eTAl(p,n3p)ZaNa
P6riode du radio61hment nc(20,4 rain)
(10,2+0,7) mb t)
~'~Na(15,0 h)
de lumibre collect6e trbs peu sensible 5_ la forme et aux 16gers d6placements du faisceau. Les propri6t6s optiques de la cellule de plexiglass 6voluant sous Faction des rayonnements, ce qui se traduit par une opacification progessive, le d6tecteur (~erenkov n'6tait introduit dans le faisceau que pour les 6ta|onnages et ces mesures 6taient suffisamment br6ves pour pouvoir n6gliger ce vieillissement. A chaque d6versement de i'acc616rateur le courant d'anode du photomultiplicateur est int6gr6 sur la capacit6 du c~tble coaxia| ( C ~ 3 5 0 0 pF) qui relie l'anode ~ un amplificateur 61ectrom~tre d'imp6dance d'entr6e en service ~ 4 × 103 MQ. La tension V~ qui apparait aux bornes de l'amplificateur en fin de d6-
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Rayonnements 6ntis /~+: 0,97 (f~-: 1,39 ]),1" : 1,37 L?'~ : 2,75
MeV MeV MeV MeV
(100~,,~) (100%)
(100%) (100}/o)
versement est proportionnelle/t la quantit6 de lumibre produite dans la lame, donc au nombre de particules d6vers6es. Cette tension est 6chantillonn6e par un codeur, du type analogique-digital, qui fournit un train d'impulsions enregistr6 par une 6cheIle de comptage. En dehors du d6versement des particules l'entr6e de l'amplificateur est raise /~ la masse par l'interm6diaire d'un relais pour assurer la d6charge du cable. La commande du relais est assur6e par une impulsion "porte" qui est centr6e sur le d6versement. Un signal "fin de porte" donne l'ordre d'6chantillonnage, juste avant la d6charge du c&ble (retard de fermeture du relais). L'amplificateur et le codeur utilis6s 5) permettent
m
r--
s--
cible irradi~¢
faisceau des particutes ...... p
,~, 4 0 0 m ~
C-_ 3500pf CaN,
i
d(tvcr~ement ides particules
~I~I[I["F
--i
KX2_50n
!
i
2
Inm¢ de' ptexiglass
m
h
miroir hu blot
P
photomultipiicateur 56 AVP03
A
amplificatcur haut¢
CAD R
codeur analogique digital rel,',is ~ tres haut isolement
Ech.
~chelle de comptage
i
impulsion porte de commande ~
retard de coupur¢ du re.lais
;
- O
~f
vi ~command¢
t
Ech.
d'~chant illonnage
I Fig. 1. D6tecteur (~erenkov et 61ectronique associee.
imp~lanc¢
IOV-~I000cps
L~INTENSITE
D'UN
FAISCEAU
d'analyser, avec une lin6arit6 meilleure que 1%, des tensions comprises entre 0 et 10 V. Le rapport de conversion est de 100 impulsions par volt.
des carrds de la mosaique permettent de remonter /t cette activit6 totale en fin d'irradiation: a =
4. Activit6 induite dans les eibles de earbone et
Les cibles de carbone (graphite de puret6 nucldaire6paisseur 5 mm) et d'aluminium (puret6 99,99% 6paisseur, 1,5 ram), de surface 12 x 12 cm 2, sont constitu6es d'une mosa'~que de 16 carr6s 616mentaires 3 x 3 cm 2. Apr6s des irradiations de 2/~ 4 min pour le carbone et de 10/t 20 min pour l'aluminium, l'activit6 fl de chacun de ces carr6s est d6terminde /~ l'aide d'un ensemble de comptage /t faible mouvement propre ( ~ 2 coups/min) 6quip6 d'un compteur g circulation d'hdlium isobutane fonctionnant en r6gime GeigerMiiller. La fenatre mince du compteur a un diam6tre de 60 m m et la g6om6trie des comptages est proche de 2:n. Le compteur et son 6talonnage sont ddcrits dans la rdf. 6 off sont 6galement expos6es les corrections 5. appliquer pour les comptages sur sources fl autoabsorbantes. Les durdes d'irradiation choisies sont suffisantes pour obtenir une prdcision statistique meilleure que 1% sur les comptages et cependant assez faibles devant les pdriodes de 11C et 24Na pour rendre ndgligeables les corrections dues ~ d'6ventuelles variations de l'intensit6 du faisceau extrait. Dans la majeure partie des irradiations environ 90% de l'activit6 induite 6tait rdpartie dans les 4 carr6s centraux de la mosaique. A la fin d'une irradiation de durde t~ l'activit6 totale de la mosaique a pour expression 1 - e -at~
A = ~px~----,
(1)
tl
avec ¢b: nombre total de particules incidentes pendant ['irradiation; a: section efficace de la r6action d'activation; 2: constante de d6croissance du radionucl6ide form6; x: ,Spaisseur de la cible, en g/cm2; p: densit6 nucldaire de la cible*, en nombre de noyaux par gramme. Les comptages fl effectu6s successivement sur chacun * D a n s le cas du carbone n o u s avons, c o m m e il est d'usage, assimiI6 13C a 12C. t Les c o m p t a g e s {4 relatifs au 24Na ont 6t6 multipli6s par un facteur correctif 6gal 5. 0,89 et d6termin6 exp6rimentalement I'aide d'ecrans a b s o r b a n t s , p o u r tenir c o m p t e de la sensibilit6 du c o m p t e u r fl a u x p h o t o n s 6nergiques. + Valeurs d e / z et R utilis6es: c a r b o n e ( / z = 1 5 cm2/g; R = l , 1 5 ) , a l u m i n i u m (/z = 11 cm2/g; R = 1,28).
(2)
e at2'' 1._i=1
d'aluminium
309
DE D E U T O N S
l - e -at3''
G R 1 - e -"x '
avec temps 6c0u16 entre la fin de l'irradiation et le d6but du comptage sur le ibme carr6; t3,i: durde du comptage sur le ibme carr6; Ni: comptage int6gral obtenu pendant t3,~ et corrig6 si ndcessaire des pertes dues au temps mort*; G: rendement gdom6trique du compteur; R: facteur de r6trodiffusion des fl; i ~ x / ( 1 - e - , x ) : facteur tenant compte de 1'absorption, suppos6e exponentielle, des fl dans la cible +. En combinant (1) et (2)il vient: t2,/
q~a = k C a = I_.i= 1
1
e ~'2''
p G R l _ e - U x l _ e -at1 '
(3)
off C d6signe le nombre d'impulsions d61ivr6es par le codeur d'amplitude pendant 1'irradiation et I¢ la valeur d'une de ces impulsions en nombre de particules incidentes, valeur qui, rappelons le, est la m~me pour des protons de 1,88 GeV/c et des deutons de 3,76 GeV/c. 5. R~sultats 5 . l . INTENSITI~ DU FAISCEAU DE DEUTONS
L'intensit6 du faisceau de deutons de 3,76 GeV/c et l'6talonnage des moniteurs secondaires utilis6s dans les exp6riences effectu6es avec ce faisceau sont obtenus en d6terminant la valeur de k [relation (3)] par irradiation d'une cible de carbone avec des protons de 1,88 GeV/c. Quatre irradiations successives ont donn6 des r6sultats compatibles entre eux 5. _+ 3% pros, mais une erreur syst6matique d'environ 10% affecte cette valeur de k; elle provient: 1. de l'incertitude ( + 5%) sur la valeur de la section efficace d'activation du carbone par les protons de 1,88 GeV/c; 2. des incertitudes sur les valeurs des coefficients g ( + 5%) et R ( + 5%) de la relation (2). L'addition de ces erreurs conduit/l une incertitude maximum de __ 15% pour k; leur combinaison quadratique donne + 8,7%. Une incertitude sur k d'environ 10% parait donc raisonnable. La faible contribution des nucl6ons secondaires /t l'activation des cibles a 6t6 n6glig6e. Le faisceau de deutons 6talonn6 nous a permis notamment d'6tudier le spectre de masse manquante
310
J. BANAIGS et al.
de la r6action d + p ~ d + ( M M ) + 3). Ce spectre, qui est d6duit du spectre en impulsion des deutons secondaires 0~m 6mis h 0t~b = 0 o (et ' . = 180°), p a r r a p p o r t aux deutons incidents, pr6sente un pic dfi ~t la r6action h deux corps N + p + Nspe~ta~e,~ d + n + Nspectateur induite p a r des nucl6ons incidents d ' i m p u l s i o n moiti6 de celle des deutons ( a p p r o x i m a t i o n en impulsion). L ' a n a l y s e de ce pic p e r m e t de r e m o n t e r ~ la section efficace diff6rentielle de la r6action p p ~ d ~ z +, relative & l'6mission du deuton dans la direction 01,b = 0 ° (0~* = 180 °) et & des p r o t o n s incidents de 1,88 GeV/c. La fig. 2 m o n t r e que le r6sultat obtenu, 9 3 _ 19 /&/sr, s'ins~re bien entre les valeurs ant6rieures 7-9) et ceci confirme la c a l i b r a t i o n de l'intensit6 du faisceau de deutons*.
dff/d~
pb/sr
p+ 104
p .--~ d + ~ l
t [7]
RM.Heinz eta{. [ 8 ] 10 3
[
Reaction
T= 2,33 GeV
T= 0,19 GeV
12C(d,p2n)~lC
(41,7_+2,9)mb
(61,1 _+0,6) mb t°) t(28,8 _+0,3) mb t°) ~ (22+_2) mb H)
(15,25_+ 1,5) nab
du
C.Richard_ Serr¢
_
TABLEAU 2
Sections efficaces d'activation.
~TAl(d,3p2n)'-'4Na
'+
Section eff~cace dift~rentlelte pour ['~mission deuton & 81ab = 0° ( %m- 180° ) I
caces d ' a c t i v a t i o n ad(3,76)/%(1,88 ). L ' e r r e u r affectant aa provient essentiellement de l'erreur sur la valeur c o r r e s p o n d a n t e de ap (cf. tableau 1) et des erreurs statistiques ( ~ __+1°/o) sur les diff6rents comptages. En effet les coefficients/t et R s'dliminent dans l'expression ad/% relative ~ la f o r m a t i o n du m~me radiodldment dans la m6me cible. Les rdsultats obtenus sont donn6s dans le t a b l e a u 2. A titre de c o m p a r a i s o n nous y avons ajout6 les valeurs c o r r e s p o n d a n t & des deutons de 0,19 G e V lo,1t).
F.Turkot et at.
[9]
notr~ zxp~ri~nc~
¢
.102
Cette m 6 t h o d e de mesure v a n o u s p e r m e t t r e au cours d ' u n e p r o c h a i n e s6rie d'exp6riences de m e s u r e r l'intensit6 du faisceau de deutons extrait de Saturne p o u r des impulsions comprises entre 2 G e V / c et 3,8 GeV/c. Des am61iorations seront apportdes ~t l ' a p p a reillage de mesure ((~erenkov, mesure de l ' a c t i v a t i o n des 6chantillons) de mani~re ~ d6finir un certain n o m b r e de r6actions " p i l o t e s " utilisables p o u r la mesure directe des faisceaux intenses de deutons de haute 6nergie, avec une erreur voisine de celle qui affecte la section efficace de la r6action aZC(p,pn)~lC. Signalons que nous pensons a p p l i q u e r cette m d t h o d e de mesure aux faisceaux de particules ~ qui seront acc616r6s dans le s y n c h r o t r o n Saturne.
.10
Cette exp6rience a @6 r6alisde gr&ce au soutien du C.E.A., du C . N . R . S . et de l'Universit6 de Caen. P . . . .
15t
Impulsion du proton incident
. . . .
2!0
. . . .
GeV/c 2!5
'
r
Fig. 2. Section efficace differentielle pour l'6mission du deuton & 0~,= 0 ° (0*era= 180°) darts la reaction pp -~-d~+.
5.2. SECTIONS EFFICACES DES RI~ACTIONS 12C(d,p2n)1ac
ET 27Al(d,3p2n)24Na t Deux irradiations successives d ' u n e m6me cible de c a r b o n e ou d ' a l u m i n i u m , l'une avec des p r o t o n s de 1,88 GeV/c, l ' a u t r e avec des deutons de 3.76 GeV/c, p e r m e t t e n t de d6terminer le r a p p o r t des sections effi-
* La vateur 191+38Fb/sr port6e sur la fig. 2 5. l'impulsion 1,795 GeV/c a 6te obtenue de la m/:me fagon &partir de deutons incidents de 3.59 GeV/c. On notera cependant que pour cette impulsion nous n'avons pu, faute de temps, etalonner le dispositif Cerenkov h l'aide de protons d'impulsion moitie. L'intensite du faisceau de deutons de 3,59 GeV/c a ere obtenue en irradiant des eibles de carbone avec ces deutons et en supposant que la section efficace d'activation a m/:me valeur ~t 3,59 et & 3,76 GeV/e. t La notation 12C(d,p2n)11C n'implique pas qu'il y ait ndcessairement emission d'un proton et de deux neutrons; elle sousentend tousles processus aboutissant /t la formation du 11C: /:mission d'un deuton, de pions... Une remarque analogue est valable pour les notations t2C(p,pn)~lC, 2VAl(d,3p2n)24Na, '-'7Al(p,n3p)e4Na.
L ' I N T E N S I T E D UN F A I S C E A U DE DEUTONS
R6f6!renees 1) j. B. Cumming, Ann. Rev. Nucl. Sci. 13 (1963) 261. 2) j. Banaigs, J. Berger, M. Cottereau, J. Duflo, L. Goldzahl et F. Lefebvres, Nucl. Phys. B23 (1970) 596. :3) j. Banaigs, J. Berger, M. Cottereau, J. Duflo, L. Goldzahl et F. Lefebvres, Nucl. Phys. B28 (1971) 509. 4) j. Banaigs, J. Berger, J. Duflo, L. Goldzahl, M. Cottereau et F. Lefebvres, Conf. Intern. Lurid (Juin 1969); Conf. Les interactions cohdrentes (Trieste, Sept. 1970). 5) Dasemble "Amt)lificateur-Codeur", communication et r6alisa-
311
tion G. Thion, D. P. H. P. E., C.E.N., Saclay. G) j. Lamberieux, Rapport CEA no. 2251 (1963). 7) C. Richard-Serre, Rapport CERN, MSC, 68-40 (1968). s) R. M. Heinz, O. E. Overseth et D. E. Pellett, Phys. Rev. 167 (1968) 1232. q) F. Turkot, G. B. Collins et T. Fujii, Phys. Rev. Letters 11 (1963) 474. 10) W. E. Crandall, G. P. Millburn, R. V. Pyle et W. Birnbaum, Phys. Rev. 101 (1956) 329. 10 R. IE. Batzel, W. W. T. Crane et G. D. O'Kelley, Phys. Rev. 91 (1953) 939.