Exl/R3B

Etude de noyaux exotiques produits par réactions avec des noyaux légers

Figure 1:Schéma global du détecteur EXL

L’expérience EXLa pour but l’étude de noyaux instables, produits par réaction de diffusion d’ions légers aux énergies intermédiaires. Elle aura lieu au GSI (Darmstadt, Allemagne) et utilisera les faisceaux d’ions produits au Super-FRS à FAIR. Le système de détection de l’expérience EXL sera installé auprès de la cible interne dans l’anneau de stockage NESR. Ce système (voir figure 1) comporte : (i) un détecteur silicium pour les particules chargées, en complément d’un calorimètre pour la détection neutron/gamma, tous deux situés près de la cible à jet gazeux (ii) des détecteurs situés dans les angles avant par rapport à la direction du faisceau incident pour les particules chargées rapides et les gammas (iii) un spectromètre en ligne pour la détection des fragments plus lourds. Le Service RDD de l’IPN Orsay est impliqué dans la R&D du calorimètre de l’expérience EXL. Un premier prototype, constitué de cristaux CsI(Tl), associés à des photomultiplicateurs a été construit et testé avec différentes sources radioactives émettrices de rayons gamma. La géométrie de ce prototype a été implémentée dans le logiciel GEANT4 pour simuler la réponse en énergie à des particules gamma de différentes énergie.

Le prototype est constitué de 18 cristaux de CsI(Tl), fournis par la société AMCRYS, associés à 9 photomultiplicateurs à 2 voies Photonis XP14D5 de forme carrée, dont les signaux d’anode sont lus par des préamplificateurs de charge Cremat © CR113. Chaque cristal est un trapézoïde de 110mm de long, tronqué sur sa face arrière selon un angle de 2.81 degrés. Les surfaces avant et arrière sont de 415 et 718 mm2 respectivement. Chaque signal en sortie des préamplificateurs est converti en un signal semi-gaussien par deux amplificateurs spectroscopie bas bruit à 16 voies CAEN N568B, qui délivre également pour chaque voie un signal rapide pour produire un signal de déclenchement global, résultat du OU entre les 18 voies. Ce signal permet de générer une porte pour la digitalisation par un Convertisseur Analogique Numérique VME CAEN V785 à 32 voies. La visualisation des spectres en ligne et l’enregistrement des données sont réalisées grâce à un ordinateur PC, équipé du logiciel Labview. Les mesures ont été réalisées avec les sources radioactives gamma suivantes : 137Cs (662keV), 60Co (1173keV, 1332keV) et une source multi-pics de 56Co (jusqu’à 3611keV).

Les fichiers de données, en format binaire, sont convertis par un programme C++ en fichiers exploitables par le logiciel d’analyse ROOT. La procédure d’analyse des données est validée en utilisant les données obtenues avec la source de 137Cs. La position du pic est calibrée, voie par voie après soustraction du piédestal, puis un algorithme permet de corriger des effets introduits par la diaphonie en lumière entre deux cristaux d’un même duo : lorsqu’un gamma interagit dans un cristal, une partie de la lumière de scintillation qui y est produite est détecté par le partenaire, faussant la première calibration. En sommant les énergies individuelles non-corrigées, le pic est déplacé à une énergie supérieure de 15% à la valeur attendue et la résolution en énergie est dégradée (8.9% en largeur à mi-hauteur). La diaphonie en lumière peut être quantifiée en sélectionnant les évènements où l’énergie du gamma est complètement absorbée dans un cristal et en mesurant le signal induit par le partenaire. Lorsqu’on corrige de la diaphonie, l’énergie totale est reconstruite avec une erreur systématique inférieure à 1% et la résolution en énergie est améliorée (7.5% en largeur à mi-hauteur).

Des tests ont ensuite été réalisés avec des sources de 60Co et 56Co et les données ont été analysées selon la procédure suivie pour les mesures en 137Cs (voir les spectres des figures 4 et 5). Des outils d’analyse fournis par ROOT, spécialement dédiés à l’analyse de spectres gamma, comportant des algorithmes de recherche de pics et de suppression de bruit de fond, ont été utilisés pour extraire les résolutions sur l’énergie totale (4.8% à mi-hauteur à 1332keV et 3.6% à 3600keV), qui satisfont aux exigences du cahier des charges. Les mêmes mesures ont ensuite été réalisées après insertion de 10 feuilles de carbone entre chaque duo de cristal, pour une épaisseur de 2mm. Aucune dégradation sur la mesure en énergie n’a été constatée.

La géométrie du détecteur a été implémentée dans un programme GEANT4. Ce logiciel permet la simulation de détecteurs de formes complexes en utilisant notamment des opérations sur les solides (addition, soustraction etc …) : la forme des cristaux de CsI(Tl) est le résultat de la soustraction d’un trapézoïde générique et d’un parallélépipède incliné selon un angle de 2.81 degrés. Le modèle physique utilisé est fourni par le package Low Energy Electromagnetic, qui inclut tous les processus pour les gammas et les leptons avec des sections efficaces à basse énergie améliorées et qui prend en compte les phénomènes de désexcitation atomique (effet Auger, fluorescence X). La réponse en énergie de chaque cristal peut être simulée, ainsi que la reconstruction de l’énergie totale.