Calibration et Alignement des détecteurs de PRISMA

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Méthode d’analyse

L’analyse des données consiste en un premier temps à identifier les produits de réaction avec PRISMA et de déterminer leur vitesse en sortie de dégradeur. Cette dernière information est essentielle pour corriger correctement de l’effet Doppler les énergies γ mesurées par le démons-trateur AGATA. Les spectres en énergie ainsi reconstruits permettront de remonter aux temps de vie des états excités de chaque noyau. C’est ce qui va être présenté dans cette partie.

Calibration et Alignement des détecteurs de PRISMA

Pour déterminer le temps de vol et les trajectoires des éjectiles dans le spectromètre, une calibration spatiale de la galette à micro-canaux (MCP) et temporelle des PPACs est nécessaire.

Calibration du détecteur d’entrée

La calibration de la MCP passe par l’utilisation d’un masque placé devant la feuille de car-bone. L’image de ce masque (une croix) est montrée sur la Fig.4.1 où sont reportées les positions en X et Y des ions entrant dans PRISMA. Une légère déformation de l’alignement entre les 4 extrémités de la croix est attendue à cause de l’utilisation du champ B pour focaliser les élec-trons vers les électrodes. Il se peut aussi que lors du montage du masque, celui-ci soit tourné de quelques degrés par rapport à la verticale. Cet effet est visible en regardant l’inclinaison présen-tée par les ombres de deux vis placées au niveau du quadrupôle, comme celles apparaissant sur la Fig.4.1. Le code d’analyse permet de faire pivoter la MCP a posteriori. Une fonction linéaire est utilisée pour positionner les 4 extrémités de la croix à des distances absolues par rapport au centre.

Alignement des PPACs

Comme le plan focal est couvert par dix PPACs indépendants, les références en temps pour le calcul du TOF diffèrent d’une section à l’autre. Ces décalages proviennent des différentes longueurs de câbles utilisées pour les PPACs et doivent être modifiées a posteriori dans le code. Pour retrouver une valeur commune, on ajoute les constantes de temps qui permettent de re-trouver un temps de vol moyen identique pour toutes les sections. Cette continuité du ToF quelle que soit la position X est montrée à la Fig.4.2. Il reste à ajouter une constante au temps de vol ainsi calculé pour retrouver les bonnes vitesses des ions en sortie de dégradeur. Ceci est fait en regardant les spectres en énergie corrigés de l’effet Doppler pour les transitions connues. Si les vitesses des éjectiles sont correctement calculées, les raies de transition doivent se trouver aux énergies d’émission au repos et ceci pour tous les angles de détection γ. Pour cette expérience, le ToF moyen a été fixé à ∼ 230 ns pour le 76Ge afin de placer l’énergie de transition de son état 2+1 vers le fondamental à 562,9 keV.

Spectres en énergie des photons γ

Une fois les isotopes identifiés, on peut étudier leur spectre de désexcitation γ. Mon étude s’est concentrée sur les trois isotopes de zinc pair-pair identifiés sur la Fig.4.3. L’analyse porte aussi sur une partie des données pour le 76Ge qui m’a servi de référence.

Correction Doppler

Les noyaux créés lors des réactions ont des vitesses faiblement relativistes (β ∼ 0.1) : pour les éjectiles produits dans un état excité, les photons de désexcitation émis en vol sont décalés en énergie par rapport à une émission au repos (E0) par effet Doppler. Ces énergies sont diffé-rentes suivant que les éjectiles se désexcitent avant (Er) ou après (El) avoir traversé le dégradeur :
Sur la Fig.4.4 est représentée une partie du spectre en énergie du 74Zn corrigé (en noir) et non corrigé Doppler (en bleu). Les deux pics fins présents sur le spectre brut sont dus à des rayonnements émis à l’arrêt et celui plus large aux γ émis en vol. Après correction Doppler, sont visibles dans le spectre, les deux composantes rapide et lente de la transition 2+ →0+ du 74Zn (vers 605.9 keV). Les deux composantes sont séparées de 7 keV, ce qui est en accord avec la différence en énergie ECDl − ECDr calculée avec la formule 4.7 pour une vitesse moyenne des noyaux en sortie de dégradeur de βl ∼ 0.087 et un angle moyen d’émission de 160˚.

Sélection en temps des événements

Pour soustraire la partie du bruit de fond correspondant aux coïncidences fortuites entre AGATA et PRISMA, seules les données faisant parti du pic de coïncidences promptes dans le spectre en temps sont sélectionnées (voir Fig.4.5). Les événements situés sous le pic sont enlevés du spectre en énergie en soustrayant à celui-ci un spectre de bruit de fond normalisé au nombre de coups sous le pic. Le spectre du bruit de fond est construit par les énergies des événements de la partie à droite du pic prompt de la distribution en temps des événements, qui est d’ailleurs semblable au spectre du bruit de fond construit sur les événements de la partie gauche du pic prompt. Comme le bruit de fond pour le 76Ge est important (65% des événements) cette étape permet d’améliorer nettement le rapport signal/bruit des raies, notamment il est possible d’iden-tifier la transition 2+2 →2+1 (546 keV) dans le spectre γ purifié. Cet effet n’est pas aussi important pour les isotopes de zinc puisque les coïncidences fortuites ne représentent qu’un peu moins de 20% des événements (dû à la plus grande sélectivité des coupures appliquées pour sélectionner les événements zinc) , comme le montrent les spectres de la Fig.4.5.

Résolution en énergie

La résolution en énergie typique obtenue pour la transition 2+ →0+ du 76Ge à 562.9 keV est de 3.6 keV (LTMH) pour la composante lente et de 4.7 keV (LTMH) pour la composante rapide, en se basant sur la distribution en énergie du 76Ge projetée sur tout les angles de détection (voir la partie de gauche de la Fig. 4.6). A partir de la formule du décalage Doppler E0 = Eγ p1 − β2 , il est possible d’estimer une résolution en énergie, connaissant la résolution intrinsèque en angle Δθγ et en énergie ΔEγ des détecteurs Germanium ainsi qu’en tenant compte de l’épaisseur de la cible qui induit une incertitude sur le point d’interaction et par voie de conséquence une erreur sur la vitesse Δβ .
Grâce à la haute résolution angulaire d’AGATA la séparation des deux composantes est observée quelque soit l’angle de détection du photon (voir la partie de droite de la Fig.4.6). On peut aussi remarquer que la correction de l’effet Doppler est parfaite puisque la ligne cor-respondant au pic lent est une constante. Ce qui n’est pas le cas de la composante rapide où une légère dépendance en angle est observée comme prévue par la formule de ErCD puisque l’on corrige de l’effet Doppler par une mauvaise vitesse. C’est d’ailleurs ce qui explique la résolution en énergie un peu plus dégradée pour le pic rapide dans le spectre en énergie formé à partir de la projection sur tous les angles. Néanmoins, il est possible de se servir de l’ensemble des données prises par AGATA pour former le spectre en énergie. Ce qui n’est pas forcément le cas dans toutes les expériences de type plunger. Par exemple, pour la mesure des temps de vie dans les 62,64Fe au GANIL [22], seulement le clover d’EXOGAM placé à 180˚permettait de séparer les deux composantes rapide et lente.

Spectres des isotopes de zinc

Pour identifier les différents états excités peuplés dans les isotopes 70,72,74Zn par réactions profondément inélastiques, on considère les spectres “sommés” sur toutes les distances cible-dégradeur utilisées. La Fig 4.7 regroupe les spectres en énergie ainsi obtenus pour les trois isotopes 70,72,74Zn.
Figure 4.6 – (Gauche) Partie du spectre en énergie de 76Ge centrée sur les transitions 2+1 →0+1 et 2+2 →2+1, issue de la projection sur tous les angles de détections des photons. Les composantes lentes et rapides sont séparées d’environ 7 keV. (Droite) Les énergies des photons détéctées sont tracées en fonction de l’angle d’émission du photon. La séparation est présente pour tous les angles couverts par le démonstrateur.
Pour les isotopes à la base de données respondant aux états avec la bande yrast 1. 70,72Zn, l’identification des différents pics se fait facilement en se référant nndc [49]. On a reporté sur la figure la partie du schéma de niveaux cor-peuplés par réactions profondément inélastiques, qui coïncide en majorité
Les réactions de transfert de plusieurs nucléons ont déjà été utilisées pour peupler les états excités dans ces isotopes de zinc. Notamment, l’étude de la spectroscopie des isotopes 70,72Zn par la réaction d’un faisceau de 64Ni sur une cible de 208Pb a montré que outre la bande yrast certains autres états étaient peuplés mais faiblement. Pour le 70Zn, c’est le cas des niveaux à 3038 keV (5−) et 3476 keV (spin et parité inconnus) qui décroissent vers l’état 4+ par les transi-tions aux énergies de 1251.7 keV et 1650.3 keV respectivement. Dans le cas du 72Zn les niveaux d’énergie peuplés sont à 2924 keV et à 3027 keV. Ils décroissent vers le niveau 4+ par des transi-tions d’énergie 1424 keV et 1526.7 keV respectivement. Dans notre cas, il est possible d’attribuer quelques coups dans les spectres sommés aux transitions 5− →4+ à 1251.7 keV pour le 70Zn et à 1527 keV pour le 72Zn. Elles se décomposent en une composante lente et une composante rapide (celles-ci étant attendues autour de 1238 keV pour le 70Zn et 1510 keV pour le 72Zn) comme dans le cas des autres transitions entre les états de la bande yrast. Mais ces composantes ne sont que difficilement différenciables d’une fluctuation statistique comme le montre le zoom à plus haute énergie du spectre γ de la Fig.4.8. Une confirmation de la population de ces états peut être obtenue si on observe une évolution dans les intensités des composantes lente et rapide avec les distances cible-dégradeur (dans le cas où ces états ont des temps de vie supérieurs à la picoseconde). Les spectres en énergie obtenus pour les distances 100 et 200 µm sommées ainsi que 500, 1000 et 1900 µm sommées sont montrés à la Fig.4.9, mais au vue de la faible statistique on ne peut pas en tirer de conclusion définitive. Néamoins, on a considéré que ces états à 1251.7 keV pour le 70Zn et à 1527 keV pour le 72Zn ont bien été peuplés lors de l’expérience. C’est pourquoi, l’alimentation par ces états sur l’état 4+ seront considérés lors de la détermination du temps de vie de l’état 4+ pour les isotopes 70,72Zn.
Dans le cas du 74Zn, deux transitions posent problème pour l’identification : la transition à 813 keV due à la décroissance du niveau à 1419 keV dont le spin/parité n’est pas défini vers l’état 2+1, et la transition à 1186 keV qui n’est pas référencée.
Un premier schéma de niveaux a été proposé par J.A. Winger et al. [50] pour ce noyau. Il a été obtenu par une expérience de décroissance β du 74Cu. Le premier état excité 2+1 est placé à 606 keV et (entre autres) trois autres niveaux ont été observés à 1164, 1419 et 1670 keV. Ce dernier niveau a été identifié comme étant l’état 2+2 puisqu’étant le seul état du triplet à décroitre vers l’état fondamental. Lors de cette expérience, le niveau à 1419 keV a été fortement peuplé par décroissance β, ce qui a amené les auteurs à conclure sur une possible assignation d’un état de spin parité (4+1) pour ce niveau dans le cas où l’état fondamental du 74Cu serait un (3+). De plus, le niveau à 1164 keV n’a été que trés faiblement peuplé, ce qui semblait être en accord avec l’assignation de spin et parité (0+2). Mais dans le cas où le fondamental du 74Cu est un (1+), le niveau à 1419 keV serait le (0+2) et celui à 1164 keV le (4+1). Un article plus récent de J. Van Roosbroeck et al. [51], regroupant les résultats des décroissances β des 74,76,78Cu avec une sta-tistique bien meilleure que dans l’expérience précédente, ne confirme pas l’existence d’un état à 1164 keV. L’hypothèse faite sur l’attribution d’un spin (4+1)/(0+2) est quant à elle toujours valide pour l’état à 1419 keV puisqu’aucun γ de transition du niveau 1419 keV vers le fondamental n’a été observé. L’assignation (4+1) a toutefois été préférée du fait que plusieurs autres niveaux décroissant vers les états à 606 keV et 1419 keV, ne décroissent pas vers l’état fondamental.
Dans la thèse de Tatjana Faul [52], un schéma de niveaux est proposé à partir des résultats issus de l’expérience profondément inélastique entre un faisceau de 82Se et une cible d’238U. Une nouvelle transition d’énergie 1202 keV y a été observée et a été attribuée à la décroissance (6+1) →(4+1). Si l’on considère que la transition à 1186 keV de notre expérience est la composante rapide de la transition (6+1) →(4+1), la composante lente devrait se situer à une énergie de 1201 keV, soit très proche de l’énergie mesurée précédemment.
Finalement, le schéma de niveaux retenu dans la suite de l’analyse pour le 74Zn comprend trois niveaux : un état 2+ à 606 keV, un état (4+) à 1419 keV et un dernier état (6+) à 2621 keV. Aucune autre transition n’a été observée dans nos données : les amas de coups à plus haute énergie peuvent être attribués à des fluctuations statistiques. Sur la Fig.4.10 un zoom sur cette partie est montré pour deux distributions en énergie, celle en noire est faite à partir des données prises pour la distance cible-dégradeur de 100 µm et celle en bleu avec une distance de 1900 µm, qui ne permet pas de conclure quant à la récurrence des coups d’un spectre à l’autre.

Détermination des temps de vie par la méthode RDDS

On peut maintenant tracer les 5 spectres en énergie correspondant à chaque distance cible-dégradeur utilisée (voir Fig.4.11 70Zn et Fig.4.12 pour 72,74Zn), et en déduire l’évolution des intensités des pics rapides et lents en fonction de la distance afin de déterminer les temps de vie des états excités des isotopes 70,72,74Zn.

Principe

Pour déterminer le temps de vie d’un état, on utilise la méthode dite des Courbes Différen-tielles de Décroissance (Differential Decay Curve) développée par A. Dewald [53]. Le calcul pour un état 2+ d’un noyau seulement alimenté par un état 4+, est détaillé ci-dessous. On rappelle qu’on indexe les quantités associées à la composante lente d’un l et celles associées à la compo-sante rapide d’un r.

Table des matières

Introduction 
I Evolution des couches : cas de N = 40 
2 Motivations
2.1 Notion de collectivité
2.1.1 Définition des observables
2.1.2 Modèles collectifs
2.1.2.1 Vibration
2.1.2.2 Rotation
2.1.2.3 GCM
2.1.3 Méthodes Expérimentales
2.1.3.1 Mesures de probabilités de transition
2.1.3.2 Mesures de temps de vie
2.2 Région autour de N = 40
3 Dispositif expérimental 23
3.1 Réaction profondément inélastique : 76Ge + 238U
3.2 Sélection des résidus : le spectromètre magnétique PRISMA
3.2.1 Principe d’un spectromètre magnétique
3.2.2 Les détecteurs
3.3 Détection des rayons avec le démonstrateur AGATA
3.3.1 Nouvelle génération de détecteur gamma de haute résolution
3.3.2 Principe du tracking
3.4 Le plunger de Cologne
3.4.1 Principe du plunger
3.4.2 Caractéristiques
3.5 Système d’acquisition
4 Méthode d’analyse 39
4.1 Calibration et Alignement des détecteurs de PRISMA
4.2 Identification des éjectiles
4.2.1 Reconstruction de trajectoires
4.2.2 Séparation en numéro atomique
4.2.3 Séparation en charge
4.2.4 Séparation en masse
4.3 Spectres en énergie des photons
4.3.1 Correction Doppler
4.3.2 Sélection en temps des événements
4.3.3 Résolution en énergie
4.3.4 Spectres des isotopes de zinc
4.4 Détermination des temps de vie par la méthode RDDS
4.4.1 Principe
4.4.2 Analyse des temps de vie
5 Résultats expérimentaux 59
5.1 Temps de vie des états excités pour 70,72,74Zn
5.1.1 Prise en compte de l’efficacité du démonstrateur AGATA
5.1.2 Détermination des temps de vie
5.1.2.1 Cas du 70Zn
5.1.2.2 Cas du 72Zn
5.1.2.3 Cas du 74Zn
5.1.3 Recherche d’une erreur systématique
5.2 Discussion
5.2.1 Comparaison aux autres données expérimentales
5.2.2 Comparaison aux calculs théoriques
II Etude du mécanisme de réaction d’arrachage d’un nucléon 
6 Etudier la structure du noyau par les réactions directes
6.1 Détermination des facteurs spectroscopiques
6.2 Incompatibilité des résultats transfert/arrachage de nucléon
7 Le coeur est-il toujours inerte pour les énergies intermédiaires ?
7.1 Les hypothèses de l’approche eikonale
7.2 Aller au-delà de Glauber grâce à un code de cascade
7.3 Les modifications apportées au code INCL4.3
7.4 Calcul des sections efficaces inclusives
III Cible d’hydrogène liquide Prespec 
8 Description de la cible d’Hydrogène liquide Prespec
8.1 Motivations
8.2 Développement
8.2.1 Description
8.2.2 Fonctionnement
9 Dispositif expérimental
9.1 Séparateur de fragments FRS
9.1.1 La méthode de séparation B-E-B
9.1.2 Les détecteurs au plan focal
9.1.3 Identification du faisceau incident
9.2 RISING
9.3 LYCCA : Lund York Cologne CAlorimeter
9.3.1 Les détecteurs
9.3.1.1 DSSSD
9.3.1.2 CsI
9.3.1.3 Plastiques
9.3.2 Identification en masse et numéro atomique des résidus
10 Résultats
10.1 Distribution en énergie
10.1.1 Déclenchement
10.1.2 Sélection en temps des événements
10.1.3 Sélection suivant l’angle d’émission du photon
10.1.4 Addback
10.1.5 Comparaison des spectres en énergie obtenus pour une cible LH2 et de 9Be
10.2 Sections efficaces
10.2.1 Calcul des sections efficaces
10.2.2 Résultats
Références 

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