Essais de discrimination de particules chargees par la methode ionographique

NUCLEAR

INSTRUMENTS

AND

METHODS

16 (1962)

240--246;

NORTH-tIOLLAND

PUBLISHING

CO.

ESSAIS DE DISCRIMINATION DE PARTICULES CHARGEES PAR LA METHODE IONOGRAPHIOUE R. S T E I N , H. E B E I t L E

et R. O P P E L

Centre de Recherches Nuch:aires, D~parlemenl de Physique Co~pusculaire, Strasbourg-Cronenbourg ]~.e~u Iv 5 F d v r i e r 1962 I n order to s t u d y f r a g m e n t s a n d h y p e r f r a g m e n t s e m i t t e d in v e r y high e n e r g y reactions, we h a v e designed a n innographic p h o t o m e t e r , based on t h e m e a s u r e of a t r a c k surface for a g i v e n l e n g t h (or t r a c k width). T h i s t r a c k surface is m e a s u r e d b y c o m p a r i n g t h e r e s u l t s obt a i n e d by t r a c k e x a m i n a t i o n s t e p by step, w i t h t w o slits, on a projection ott t h e t r a c k t h r o u g h a projection microscope. T h e

m a g n i f i c a t i o n is a b o u t 4000 t i m e s , t h e n in this case tile classical m e c h a n i c a l e r r o r s are negligible. For calculation of a real surface we t a k e in account t h e real t r a c k l e n g t h a n d its dipping. Methodologic results of discrimin a t i o n in art I L F O R D G 5 emulsion for carbon, neon, and a r g o n are g i v e n .

1. Introduction L'efficacitd de la mdthode ionographique dtant tributaire d'une discrimination rapide des traces ionographiques, nous avons essay~ de construire un photom~tre permettant une discrimination rapide et precise, ceci en ne nous souciant pas du probl~me tht~.orique sous-jacent (image latente, sensibilit6 des grains, etc . . . . ). Comme crit6re ~ utiliser pour cette discrimination, nous avons choisi la surface de la trace en fonction du parcours. Des mesures de surfaces et de largeurs de traces effectu~es par d'autres m6thodes ont en effet donnd de bons r~sultats t - 5). Ce que nous allons mesurer en r~alit6, c'est nne fonction de la surface, de l'opacit6 de la trace et du nombre de rayons delta courts. Pour augmenter au m a x i m u m la pr6cision et la cadence de mesurc, nous avons automatisd les diff6rentcs opdrations, en 6vitant au m a x i m u m toute intervention et tout crit6re personnels au cours de la mesure (ceci par opposition k d'autres mdthodes). On est ainsi stir, de sc trouver toujours dans les m6mes conditions. I1 s'agissait 6galement d'avoir un appareil per-

mettant l'dtude de plaques dpaisses, souvent relativement voil6es, et 6galement d'dtudier les traces ayant un grand enfoncement.

1) S. N a k a g a w a , E. T a m a r et II. H u z i t a , J. de P h y s i q u e , Soc. JAPAN I I (1955) 191. 2) Von Friesen et Kristiansson, Ark. f. F y s i k 4 (1952) 505. •~) B. \Valdeskog, Ark, f. F y s i k 7 (1954) 475. t) O . $ k j e g g e s t a d , Arch. f. Math. oS. N a t u r . ( 1 9 5 5 ) B. Liv. N o . 1. • ) Ch. C,eganff, Th~se, 1959.

2. Description de l'Appareil Le photom~tre se compose essentiellemcnt d'un microscope Leitz-Ortholux servant ~. projeter l'image de la trace ionographique sur l'6cran E (enlevd sur les photographies No. 1, 2 et 3, et sch6matisd sur la photo 2) derriere lequel se trouve la fente F du photomultiplicateur de mesures. L'dclairage d a microscope est constitud par un brtileur au x6non XBO 162 contenu dans un corps de lampe Wild (B). La lampe k arc est dquipde d'un syst6me (S) permettant un centrage rigoureux et facile. Le microscope est 6quipd d'un condenseur du type " K 6 h l e r " et d'une grande platine. L'optique utilisde pour la projection comprend l'objectif 100 x Its ainsi que des ocutaires (O) 6 x ou 8 x periplandtique Leitz. Le faisceau sortant du microscope est envoy6 k l'aide d'un miroir (Ml) traitd en surface, sur les miroirs (M2) mobiles autonr de l'axe optique O 0 ' (volt figure 4). Ce dispositif permet de faire tourncr l'image d'environ 180 °, ce qui a permis certaines simplifications mdcaniques, du systfime portant les photomultiplicateurs, en permettant d'amener toutes les traces rectilignes k bare verticales dans le plan de projection. On remarquera que, pour ~viter ~ l'dnmlsion d'etre d~tdriorde par les rayonnements infra-

240

DISCRIMINATION

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LA METIIODE

IONOGRAPIIIQUE

241

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242

R.

STEIN,

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EBERLI"

rouges en particulier, on a disposd nne sdrie de filtres interfdrentiels en (Li) sur le t r a j e t des rayons, et l'on a incorpord au microscope u n miroir froid en place et lieu de cclui e x i s t a n t initialement sur le microscope O r t h o l u x (figure 2). "~,~'"

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t r o u v a n t en F et Pc ne doivent recevoir aucune lumi+rt parasite. E n ce qui concerne la vis de profondeur du microscope, nous avons, vu la sensibilitd des p h o t o m u l t i p l i c a t e u r s ~ une b o n n e mise au point, dtd obligds dc rdaliser une ddmnltiplication in6canique, ttlle, que 1 tour de vis (V) corr t s p o n d e ~t environ 6/2 de ddplacement vertical de la platine (nous avons dtalonn~ cette vis en vue dc l'dtude des corrections de mise au point). Le plan de projection E et les fentes du photom u l t i p l i c a t e u r s t t r o u v c n t ~t environ 70 cm du microscope, ce qui, avec u n objectif 100 KS, un oeulaire 8 x nous donne un coefficient micromdtrique de 4000 t n projection (c'est k dire 4 m m pour 1 micron objectif) ; de ce fait, la prdcision habituelle en Indcanique est largement suffisante, en ce qui concerne le dispositif de d @ l a c e m e n t des photomultiplicateurs. Ces p h o t o m u l t i p l i c a t e u r s ont en effet 2 degrds de libertY, ]'un vertical, l'autre horizontal. Ces deux m o u v e m e n t s sont gnidds p a r deux glissi~res G t et G2.

3. Principe de Fonctionnement du Photom~tre

F i g . 3. V u e d u m o u v e m e n t vertical des photomultiplicateur~ de mesure et de controlc et du m6chartisnle des fentes.

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N2

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F i g . 4. S c h e m a

du syst6me

de miroir.

Le centrage de la lampe et les ddplacements de la platine du microscope sont n a t u r e l l e m e n t commandds de l'ext~rieur de la caisse (el. x, y, z, LI, L2, L3, L,); et effet, its p h o t o m u l t i p l i c a t e u r s se

Lorsqu'on a repdrd l'dv~nement dans l'dmulsion, c'est "~ dire la t r a c t "~ analyser, on l'amcXne p a r rotation d u miroir (M2) (ou r o t a t i o n de 180 ° de la plaque s u p p o r t a n t l'dmulsion) ~ 6tre verticale ; la fin de parcours pointde vers le h a u t de i'dcran de projection. On a m i n e le charriot T t en position telle que la fin de parcours se trouve h peu pros en face d ' u n rep&e portd sur l'dcran, et i n d i q u a n t la limite sup& rieure de la fente F. Apr~s cela, on ddplace vertical e m e n t l'dcran ct les photomultiplicateurs, "~ l'aide de la vis de rdglage fin V 2, de fagon ~ ce que la pointe de la trace, qui, ellt, est fixe, soit e x a c t e m e n t en face du rep~.re porte~ sur l'dcran "a cet effet. Pour a m e n e r la trace dans la fente de mesure, on agit sur le c h a r r i o t horizontal T 2 p a r interm6diaire de la vis V 3, en r~?glant h vue, puis en c h e r c h a n t la position m i n i m a du spot sur le galvanom6tre enregistreur graphispot (g). Les contacts s t t r o u v a n t sur la b a r r e Bc p e u v e n t 6tre rdgl~s de tellt fagon que par la suite, It c h a r r i o t T, se ddplace a u t o m a t i q u e m e n t par bonds calibrds de 3 cm vers le bas, c t qui permet d ' a n a l y s e r la trace liar tron¢ons de 3 cm en projection (c'est -a

DISCRIMINATION

P A R LA M E T I t O D E

dire des segments d e ( 3 0 x 103)/(4 x 103)/~ = 7.5,u) (il est ~ noter que l'on peut r6gler les c o n t a c t s et les fentes de fa~on ~ pouvoir analyser les traces p a r tron~.ons de 5/1 au moins). P o u r rep6rer aw:c le m a x i n m m de prdcision, d ' a b o r d la position de la trace au centre de la fente et la raise au point du microscope, on observe le spot (S) qui nous indique l'intensit6 de c o u r a n t du p h o t o m u l t i p l i c a t e u r de mesure, et on recherche le courant m i n i m u m , la trace r e c o u v r a n t eu p a r t i e la fente, en j o u a n t d ' u n e p a r t sur le ddplacement latdral du p h o t o m u l t i p l i c a t e u r , m o u v e m e n t comm a n d d p a r la vis V 3, puis on fait de m~me pour la raise au p o i n t ~ l'aide de V c o m m a n d a n t la vis de profondeur du microscope. L'intensit4 du courant i e s t alors enregistr6 p a r l'enregistreur du galvanom~tre S E F R A M . E n r6alitd, on dispose de deux fentes; l'une de h a u t e u r 3 0 m m et de largeur 7 ram; l ' a u t r e de largeur 20 m m et 30 m m de h a u t , mais c o m p o r t a n t un cache de 8 m m au centre. Figure 5 (cf. photo no. 1 et 2 on distingue la g r a n d e fente et son cache en H, figure 3).

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i

Fig. 5. Sch4ma d ' u n tron~on de t r a c e d a n s le s y s t h m e de fente.

On p e u t n o t e r que le seul crit6re personnel 5. apporter, est celui de l'apprdciation du m i n i m u m ; ce qui est tr~s prdcis, donc tr6s a v a n t a g e u x , q u a n t ~t la pr6cision. Appelons S la surface de la fente (1) ; $2 celle de (2). $2/S = ~ (ici de l'ordre de 1.7). Si nous appelons 27 la surface de la trace en regard de la fente (fig. 5), apr~s recherche d u minimum, et inscription du c o u r a n t i, on c o m m a n d e dlectriquement le c h a n g e m e n t de fente, la fente de 20 m m p r e n d alors la place de la pr6c6dente, et le graphispot enregistre le c o u r a n t I. D a n s ce cas, il n ' y pas de m i n i m u m ~ rechercher, car les deux fentes sont centr@s avec prdcision. Si nous ad-

IONOGRAPHIQUE

243

m e t t o n s que la trace au lieu d ' a b s o r b e r la lumihre t o t a l e m e n t , n'est que partiellement opaque, et en a d m e t t a n t que la fraction du flux non absorbd p a r les grains d ' A g c o n s t i t u a n t la trace est a, alors les courant ddlivrds par le p h o t o m u l t i p l i c a t e u r seront alors: i = ( S - 17) a + a r o , a d t a n t le coefficient de proportionna]itd en /~A/'unitd de surface (on a d m e t que le p h o t o m u l t i plicateur d o n n e une rdponse lin6aure en fonction du flux reqal).

i et

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I1 est n o r m a l de supposer que e est une fonction du parcours rdsiduel R, de Z ct du ddveloppement. Done, ce que l'on mesure ne sera pas la surface vraie, mais une f o n c t i o n f ( Z , R), tclle que: S E x p d r i m e n t a l e m e n t , nous a v o n s avec une fente fine mesur6 le flux i n c i d e n t sur une portion de trace, ou du moins, dans une rdgdon voisine, et la fraction de ce flux, qui n ' 4 t a i t pas absorbd par les grains d ' a r g e n t de la trace, et calculd a, puis Z'; nous t r o u v o n s alors des rdsultats du m f m e ordre de g r a n d e u r que ceux obtenus p a r Mademoiselle Gegauff (th~se p. 6 et 15, et ccci pour la m~me plaque et les mfimes ions). Si on p o r t e (Z/S) (1 - o) = (1 - c~i/I) en fonction du parcours, on o b t i e n t la v a r i a t i o n de f(S, R, Z) en fonction du parcours rdsiduel R. On peut dgalement p o r t e r f~f(R) dR en fonction du parcours, (c'est ~t dire en ndgligeant Finfluence de a, la surface totale en fonction du parcours r6siduel (Z/S) (1 - o) ne r e p r d s e n t a n t que la p o r t i o n de surface en regard de la fente). (II est "t n o t e r que l'on t i e n t c o m p t e d ' u n e partie des rayons courts, ce qui ne fait qu'am61iorer la discrimination.) On peut objecter 5. c e t t e m6thode, que lorsque les plaques sont voildes, p a r exemple, les r~sultats seraient entachd.s d'erreur, mais l'expdrience m o n t r e que le voile n ' i n t e r v i e n t pratiquem e n t pas.

244

R.

STEIN,

H.

EBERLE

4. Stabilisation t.ln problbme qui s'est posd est cetui de la constance tie la lumi6re, or un arc est par essence tug'me i n s t a b l e ; on a done dtE obligd de t r o u v e r u n syst~me p e r m e t t a n t une tr&s b o n n e stabilisation. A cet effet, nous a v o n s m o n t e un deuxib.me pht)tomultit)licateur, du ru0.me type que le premier et appaird b. ce dcrnier, placd aussi pr~.s que possible du p h o t o m u l t i p l i c a t e u r de lnesure, lc photom u l t i p l i c a t e n r de contr6le (Pc) agit p a r l'intermEdiaire d ' u n amplificateur sur la base d ' u n t r a n s i s t o r de puissance qui r6gule le courant de la lampe h arc. C'est h dire ce transistor rdgule les 160 W, que consomme le brfileur k xdnon. De ce fait, la luminositd du c h a m p d u microscope est c o n s t a n t e k mieux ' (cf. fig. 6). que 1 o/o.

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R.

La fiddlitd s'est avdrde ~tre de l'ordre de g r a n d e u r de l ' e r r e u r prdcddente, soit environ 2.5 %. 5.2. ESSAI

DE

I)ISCI~IMINAI'ION

P o u r d o n n e r une id6e des possibilitEs de l'apparcil, nous a v o n s utilisd une plaque d'dmulsion ,-

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5. R6sultats Obtenus a l'Aide de Traces Horizontales

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Rdsullats

I un,te'. 7 ~ mmcroes . . . . . ' 5 6 7 8 9 10 11 12

de d i s c r i m i n a t i o n dans exposde au hilac.

une

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6mulsion

Gs

5. I . P R I 2 C I S I O N

Dans une Emulsion G5, l ' e x a m e n rdpEtd d ' u n e m6me trace nous a montrE que la mesure 4tait p a r f a i t e m e n t reproductible, et ceci pour des operateurs diffdrents; l'erreur relative sur une mesure d t a n t infdrieure "5. 2.5 %. 22ov ~

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[ F i g . 6. S c h 6 m a d e s t a b i l i z a t i o n

d u b r f f l e u r X B . O . 162.

Fidditd Pour 6tudier la reproductibilitd des mesures, nous avons repris la mt~me trace (rep6rde dans l'Emulsion h l'aide d'une, grille) et "a plusieurs jours, voire plusieurs semaines d'intervalle, nous a v o n s opdr6 la m f m e mesure.

G5 exposde au Hilac, p a r le professeur Barkas, en 1958. Cette plaque f o r t e m e n t voilde c o n t e n a i t des ions de carbone, de ndon et &argon. Nous avons pour c h a q u e type d'ion, mesur6 une sErie de traces (darts ces plaques, on p e u t identifier les ions, grhce "a l'Energic incidente, et il suffit donc de mesurer leur parcours). L'enf o n c e m e n t de ces ions est de l'ordre de 70 a v a n t contraction. I1 est ~ n o t e r que cette plaque n a n t i e d ' u n voile appreciable, date de 1958, et prdsente le phdnomSne de " f a d i n g " apr~s fixation done les traces subissent un amincissement, fonction de la position de la trace clans l'Emulsion, done indgale, d ' u n c trace h l ' a u t r e ; cc phdnom~ne a u g m e n t e done la dispersion des rdsultats• (nous a v o n s utilisd cette plaque, v u la difficultfi de s ' a p p r o v i s i o n n e r en plaques c o n t e n a n t plusieurs ions). Les rEsultats sont portds sur la courbe fig. 7. L ' e r r e u r m a x i m a commise, malgrE les meilleures conditions, est de l'ordre de 6%, l'erreur moyenne de 2%. I1 est h n o t e r que si l'on porte la surface totale en fonction du parcours rdsiduel, les courbcs obtenues ont des dquations d u type: surface = aR", oh n = 1.24 e t a c = 0•23; a.~, = 0.30; aA, = 0.32.

DISCRIMINATION

P A R LA M E ' r H O D E

Pour c o n n a i t r e la dispersion vdritable des rOsult a t s c o n c e r n a n t nn ion donnt6 dans une plaque, nous a v o n s disposd d ' u n e plaque G5 bombard~,e p a r des ions O1~, et n ' a y a n t semble-t-il, pas subi de fading. Nons avons effectud la mesure d ' u n e c i n q u a n t a i n e de traces dif~drentes d'ions oxygOne, et nous avons constat(/ que la dispersion ~tait bien m o i n d r e que 5 % ; i ' e r r e u r m o y e n n e d a n s ce cas cst 2°0. \

IONOGRAPHIQUE

245

l'dmulsion par exemple. C'est/~ dire, qu'il existe un g r a d i e n t de ddveloppement ou mdme un ph~nomOne de diffusion lumineux, diffdrents s u i v a n t la position de la trace par r a p p o r t ~ la surface de l'dnmlsion.

-.. y(e)

I Z C'

5.4.

Nous avons 6galement, dans l ' i n t e n t i o n d'dtalonn e t les plaques, pour une dtudc ultOrieure, recherch6 des traces " m a r t e a u x " dans nne dmulsion G5 exposce 5. des p r o t o n s de 25 GeV h l'accdlOrateur de Gen@vc. Nous en avons profitd pour dtudier les corrections ~ opdrer pour arriver "~c o m p a r e r des traces d ' e n f o n c e m e n t diffdrent, et se t r o u v a n t a des n i v e a u x diff6rents d a n s l'dmulsion.

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12 6. Etude de Traces Ayant un Enfoncement Quelconque O

6.1. COI~R1-;CTION D E P R O F O N D F U R

I1 est normal d ' a d m e t t r e que pour une plaque ionographique Opaisse, le ddveloppement prdsente

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Fig. 9. Correction d'enfoncement.

P o u r mesurer la vMeur de cette correction, nous a v o n s utilisd un certain n o m b r e tie traces de I.i s, c'est ~t dire de traces " m a r t e a u x " horizontales (entre - 10 ° et + 10 ° d'enfoncement). E n p r e n a n t c o m m e r~fdrencc une trace horizontale h 150/1 de profondeur, o11 a calcul6 pour toutes les autres t r a c e s l e coefficient O(z) p a r lequcl il faut multiplier la valeur de Z7 pour o b t e n i r la mdme w d e u r que pour la trace horizontale choisie comme r~}fdrence, et a y a n t naturellcnlent mt~lne parcours rdsiduel. (voir courbe fig. 8).

I 6.2. C O R R E C T I O N 1)'I.2NF()NCEMENT

1-_~

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709

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Fig. 8. Correction dc profondeur.

ml degr6 d'inhomogOneitd, d ' a u t a n t plus g r a n d que l'Omulsion cst plus c~paisse. L'expdrience a montrO qu'il flint t e n i r compte de la c6te de la trace r e l a t i v e m e n t it la surface de

Pour pouvoir ntiliser par la suite les traces pr& s e n t a n t un enfoncement quelconque, nous :irons dtudi6 Ic coclficient 7(0) par leque] il fallait multiplier E pour o b t e n i r ]a mc}mc valeur que pour la trace horizontalc de rt;fdrcnce et "5. z = 150 1' de profondeur les valeurs e x t ~ r i m e n t a l e s de ":(0) sont portdes sur la figure 9 (compte tenu de la c6te de la trace). I1 se trouve que ±" porto en fonction du parcours rdsiduel est pour ces dmulsions (G5 de

246

R. S T E I N ,

H. E B E R L E

600/~ exposdes aux protons de 25 GeV ~ Gen~.ve) est lindaire, (ce n'est pas le cas pour d'autres plaques ~tudides). C'est kdire le coefficient n prdeedemment d6fini est tel, que n e s t tr~s peu diffdrent de tin. Or, d'apr6s les '.t ; , "-ace-,

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Fig. I0. H i s t o g r a m m e r e p r d s e n t a a t les r f s u l t a t s obtenus txiur des traces de Li~ et B~.

6mulsions G5 dtudi6es ci-dessus,ce coefficient semble /~ peu pr6s constant jusqu'k l'argon: ion de hombre atomique le plus dlevd jusqu'k prdsent dtudi6 l'aide de notre photom~tre. On peut done a priori admettre que pour Z entre 1 et 18, pour ces 6mulsions exposdes aux protons de 25 GeV, n e s t dgalement constant, donc, quelque soit l'ion considdr6 Z: f(R) est une droite. I1 suffit donc de calculer la pente de ces droites pour pouvoir op6rer une discri-

E T R. O P P E L

ruination. L'expdrience montrc que cette fa