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Orgam

Multidétecteur gamma

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Introduction : le projet ORGAM à l’IPN
Le projet ORGAM (ORsay GAMma array) est basé sur l’utilisation d’une partie des 45 détecteurs coniques coaxiaux de germanium d’EUROGAM. La gestion des ressources d’EUROGAM est partagée entre le pole d’emprunt France-Royaume-Uni et les poles de collaborations européens de détecteurs gamma. Le projet ORGAM a pu voir le jour lorsqu’un nombre significatif (23) de détecteurs ont été disponibles en 2008 provenant du dispositif JUROGAM installée à Jyvaskyla. L’exploitation du multidétecteur gamma ORGAM se déroulera en 2 phases : La phase 1 (2009-2011) : installation jusqu’à 30 détecteurs de GE avec système de suppression Compton sur la ligne 420 du Tandem en géométrie EUROGAM. La phase 2 (2011-2013) : utilisation de 15 détecteurs sur la ligne 320 du Tandem pour travailler en coïncidence avec le spectromètre du Split-pole
 
Phase 1 : Montage en ligne 420 en géométrie EUROGAM
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L’hémisphère de la phase 1 d’ORGAM, montrée sur la figure 1, a été assemblée dans la géométrie initiale d’EUROGAM et peut accueillir jusqu’à 45 modules (détecteurs de germanium + enceintes de BGO anti-Compton). Avant la première expérience, environ 30 blindages de BGO furent retraitées, la graisse optique remplacée, 10 alvéoles support en aluminium ont été usinés dans l’atelier de fabrication et une structure support a été conçue et construite. Ce support consiste en 2 chariots symétriques montés sur des rails afin d’ouvrir la boule et améliorer l’accessibilité interne. L’expérience a été alignée en avril 2009 et fonctionne sur la ligne 420 du Tandem
 
Phase 2 : Conception de la géométrie compacte ORGAM
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Pour la phase 2 il a été décidé de favoriser l’efficacité plutôt que la granularité qui n’est pas critique pour l’étude des noyaux exotiques. De cette façon, un petit nombre de détecteurs peuvent être employés et seront placés au plus près de la cible. Un optimum pour la couverture d’angle solide par les cristaux de GE est trouvé en plaçant 15 détecteurs dans un hémisphère. Pour ajuster l’espace entre les détecteurs GE avec un nombre minimal de formes géométriques simples, 10 formes hexagonales et 5 formes pentagonales d’enceintes anti-Compton doivent être construites comme le montre la figure 2. L’ensemble du dispositif doit s’insérer en amont du spectromètre du Split-pole et l’étude sera effectuée en collaboration avec le bureau d’études de la Division Accélérateur pour l’intégration de ce détecteur sur la ligne 320 du tandem. La conception finale continuera jusqu’en 2011. La R&D pour construire de nouvelles enceintes anti-Compton a été entreprise en parallèle par le service.
 
Simulation pour les nouveaux boucliers Anti-Compton en BGO de Orgam2
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Des simulations utilisant le logiciel GEANT4 ont été effectuées pour quantifier le taux de rejection Compton pour plusieurs géométries d’un module composé par un détecteur de germanium et des cristaux de BGO. GEANT4 permet de modéliser les structures géométriques complexes des BGO qui sont des polyèdres à faces hexagonales ou pentagonales. La figure 3 illustre des résultats de simulation pour le cas du pentagone. Pour toutes ces simulations, le germanium est modélisé par un cylindre de 70 mm de diamètre et 70mm de longueur dont la position à l’intérieur du BGO dépend de la forme et de la longueur de ce dernier. Ce module est situé à une distance focale de 117mm par rapport à la cible. Les simulations ont été effectuées avec des gamma d’énergie de 20keV à 5MeV, émis depuis la cible dans une direction aléatoire, en employant la bibliothèque de Physique Electromagnétique Basse Energie pour une meilleure précision. Les énergies mesurées évènement par événement dans le Germanium et le BGO peuvent être extraites et le taux de rejet, qui est défini comme le taux d’événements où l’énergie au-dessus de 50keV est mesurée dans le BGO, est déduit. La figure 3 montre l’énergie mesurée dans ce Germanium pour un gamma de 2MeV d’incidence aléatoire, avec et sans rejet Compton réalisé pour une longueur de BGO de 150mm. La figure 4 montre le taux de rejet en fonction de l’énergie du gamma incident, pour plusieurs géométries de BGO. Le taux de rejet augmente à partir de 100keV car la diffusion Compton devient le processus d’interaction dominant. Le taux de rejet est plus grand pour les configurations où le BGO est hexagonal, car la totalité du germanium est contenue à l’intérieur du BGO. Le choix d’un BGO de 150mm de long est un bon compromis entre les exigences sur le taux de rejet et le coût du cristal.
 
Construction d’un module démonstrateur
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Alors que les premières enceintes anti-Compton de BGO ont été réalisées par formage complexe de métal, la nouvelle conception utilise des enveloppes moulées en fibre de carbone, produites par l’atelier à l’aide d’un moule en aluminium précis. La faible épaisseur de paroi de 400 µm réduit la zone morte entre les cristaux ( 2 millimètres). Ce nouveau concept permet le retrait des détecteurs germanium sans démonter les enceintes anti-Compton. Un démonstrateur, montré en figure 5, est en fonctionnement depuis le printemps 2010 pour vérifier l’intégration globale et pour mesurer sa réponse avec une source radioactive. Il est constitué par 5 cristaux de BGO (2 fournis par Scionix et 3 par St Gobain Crismatec). Chaque cristal de BGO est couplé à 2 PMTs (Hamamatsu R7899-01) et est enveloppé dans du réflecteur (VM2000). Nous avons conçu et avons validé une structure légère et bon marché pour 20 hexahedral et 15 pentaedral faces pour le détecteur ORGAM2. Chaque face est un détecteur de Germanium entouré par un anneau de crystal BGO pour le rejet des rayons gamma Compton. Le Germanium et les détecteurs BGO sont insérés dans un nouvel arrangement en forme de boule : nous avons conçu des nouvelles alvéoles anti-Compton utilisant du carbone et de l’aluminium. Nous avons mis en œuvre des moules spécifiques et de nouvelles formes de cristaux BGO. De plus, de simulations GEANT ont été effectuées. Nous avons assemblé un démonstrateur que le physicien avec succès testé sur faisceau.
 
Test d’un prototype de bouclier Anti-Compton BGO pentagonal
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Le prototype de bouclier Anti-Compton BGO pentagonal a été associé à un détecteur Germanium et testé avec une source gamma double-pics de 60Co (1173 et 1332keV). Le signal issu du préamplificateur du Germanium est dédoublé pour être envoyé vers un amplificateur spectro ORTEC© 570, avec 6µs de temps d’intégration, et un amplificateur rapide. Le signal de sortie de l’amplificateur spectro est codé dans un ADC détecteur de crête AD811 pour mesure de l’énergie. Le signal en sortie de l’amplificateur rapide est envoyé vers un discriminateur qui produit un signal logique pour un module de coïncidence.
Les signaux d’anode des 10 Photomultiplicateurs sont envoyés en entrée d’un Discriminateur à Fraction Constante CAEN N843 pour produire un OU logique, qui est ensuite envoyé vers le module à coïncidence, dont le signal de sortie est codé dans l’AD811. L’acquisition des données est pilotée par le logiciel Labview et déclenchée sur le signal logique associé au Germanium. Les données sont enregistrées pour analyse hors-ligne avec le logiciel ROOT. Pour quantifier l’efficacité de réjection Anti-Compton, on mesure le rapport entre l’intégrale sur les photopics et l’intégrale totale des deux spectres en énergie sans et avec détection d’un gamma dans un ou plusieurs BGO. Dans une géométrie de type ORGAM2 (Germanium placé à 132mm de la source, et décalé de 12mm à l’extérieur de la couronne des BGO), ce rapport croit de 0.24-0.25 à 0.34 si on rejette les évènements avec détection dans un ou plusieurs BGO. Ces résultats sont cohérents avec les simulations et satisfont les exigences du cahier des charges.
Ce démonstrateur a été utilisé pour une expérience sur faisceau au TANDEM/ALTO d’Orsay.
 
Contact : C. Le Galliard
 

Publications et rapports :

T. Zerguerras Etude et realisation d’un prototype d’enceinte anti-compton pour le projet orgam 2 (2011)

Liens relatifs au projet :



 

IPN

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

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