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CLAS12

Étude de la résolution en temps d’un assemblage de scintillateurs plastiques pour le Détecteur Central à Neutrons de CLAS12

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Le détecteur CLAS12

Le détecteur CLAS12 est un upgrade du détecteur CLAS actuellement installé au Laboratoire Jefferson. Il a été conçu pour satisfaire la condition de base pour l’étude de nucléons et des noyaux après l’upgrade à 12 GeV de l’accélérateur de CEBAF.
L’intérêt principal des expériences utilisant le détecteur CLAS12 sera l’étude de la structure de dynamique interne de proton et à neutrons, qui sera faite via les mesures de processus spécifiques impliquant l’échange d’un photon (c’est-à-dire la Dispersion de Compton Profondément Virtuelle, DVCS).
Avec l’upgrade à 12 GeV, plus de 80 % des neutrons produits dans le processus de base de neutron DVCS auront un angle plus grand que 40deg dans la région couverte par le détecteur central. Pour cette raison il est crucial d’avoir un détecteur à neutrons consacré dans la partie centrale de l’appareil CLAS12. Des contraintes strictes, définies par l’espace limité disponible et le champ magnétique local très fort, fait de la conception de ce détecteur un vrai défi.

 

La conception du détecteur Central de Neutron (CND) à l’IPNO

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Fig.1 Le détecteur central à Neutron (CND) de CLAS12


L’IPNO a proposé une solution basée sur l’utilisation de trois couches de scintillateurs couplés aux tubes photomultiplicateurs grâce à de longs guides de lumière ce qui permet de placer les PMTS dans une région avec un champ magnétique réduit. En outre un guide de lumière en "U" est utilisé pour connecter optiquement les deux extrémités des scintillateurs voisins permettant ainsi la possibilité de collecter la lumière du même côté. Le détecteur final devrait alors compter 144 PMTS, scintillateurs, guides de lumière et 72 "U" positionnés en trois couches, comme indiqué dans la Fig.1.

 
Les tests sur le prototype du CND
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Fig.2 Les barres de scintillateurs connectés optiquement sur un côté avec un guide de lumière semi-circulaire

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Fig.3 Une couche du prototype du CND de CLAS12

Le service de R&D Détecteurs de l’IPNO a étudié plusieurs solutions pour le choix du PMT, des guides de lumière en "U", des scintillateurs et des réflecteurs pour la conception du CND et ceci dans le but d’optimiser la résolution en temps du détecteur. En fait cette résolution est le facteur clé qui mène à l’identification des neutrons du bruit de fond des gammas.
Un seul élément du détecteur, réalisé au moyen de deux PMTS et deux scintillateurs, optiquement connectés à un bord au moyen d’un guide de lumière semi-circulaire (Fig.2) a été réalisé et testé à l’IPNO avec des rayons cosmiques (Fig.3).
 
 
Le système de Trigger
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Fig.4 Résolution en temps lors des tests avec une couche du prototype

Le trigger du système utilise la coïncidence de deux petits scintillateurs de part et d’autre d’un des scintillateurs du prototype testé. De cette façon quand un rayon cosmique traverse les scintillateurs, il produit un signal dans le trigger en coïncidence avec un événement de scintillation dans le prototype CND. La position de l’événement de scintillation produit dans le prototype est alors définie par la position du trigger.
La lumière produite par l’événement de scintillation se propage le long du barrel et ensuite dans les guides de lumière et est finalement rassemblée dans le PMT : le « PMT Dir » détecte la lumière directe produite dans le barrel, tandis que l’autre photomultiplicateur, « PMT Ind », détecte la lumière indirecte, reflétée par le guide de lumière en "U ". Pour chaque événement de scintillation nous avons mesuré la lumière rassemblée à la photocathode desPMT et les intervalles de temps nécessaires à la lumière pour les atteindre, pour évaluer la résolution en temps. Les détecteurs de trigger ont été montés sur un support ce qui a permis de simuler la structure rigide du barrel et donc la résolution en temps et la collection de charge du détecteur sont mesurés pour cinq positions différentes du trigger.
Les tests exécutés ont permis de choisir le PMT R9779, le scintillateur EJ-200 et le papier aluminium comme matière de réflecteur pour la conception final du CND. Avec ce choix pour le détecteur nous avons mesuré une résolution en temps entre 114 et 155 ps pour le « PMT Dir » et entre 205 et 280 ps pour le « PMT Ind », comme indiqué dans la Fig 4.
 
La construction du détecteur

Fig.5 La structure mécanique du CDN

 
Vidéos
  • Assemblage de CLAS12
  • Détecteur central de CLAS12
 

Contact : G. Hull, J. Bettane

Publications et rapports :

Liens relatifs au projet : Clas12 à Jefferson Lab


 

IPN

Institut de Physique Nucléaire Orsay - 15 rue Georges CLEMENCEAU - 91406 ORSAY (FRANCE)
UMR 8608 - CNRS/IN2P3

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