Le système Scintillateur- Photomultiplicateur



         Nous allons utiliser, pour l'expérience, le système scintillateur- photomultiplicateur. Nous allons tenter de comprendre leur principe de fonctionnement et comment les utiliser dans le cadre de notre expérience.

Fonctionnement du scintillateur :

         Le scintillateur est un plastique chimiquement traité. Le plastique sert juste de support transparent et contient des molécules fluorescentes. Ces molécules sont excitées par le passage de particules. En effet, les particules, en traversant le scintillateur, laissent une partie de leur énergie, ce qui va exciter les molécules fluorescentes. Ces dernières vont se désexciter en émettant de la lumière Ultra- Violette (UV). On ajoute, dans le scintillateur, d'autres molécules, des shiffteur (déplaceur de longueur d'onde), qui vont s'exciter par les rayons Ultra- Violets et se désexcitent en émettant de la lumière bleue (c'est un transfert d'énergie), d'où l'aspect bleuté du scintillateur. L'intensité de la lumière émise est proportionnelle à l'énergie laissée par la particule dans le scintillateur. C'est pour cela que nous devons connaître le rendement lumineux du scintillateur, c'est-à-dire le nombre de photons émis par MeV (Méga ElectronVolt : 106 eV) perdu dans le scintillateur. Ce rendement est calculé par rapport au rendement d'un matériau scintillant de référence : l'anthracène, qui fournit 2*104 photons par Mev perdu. Nous utiliserons un scintillateur dont le rendement lumineux est de 65% par rapport à l'anthracène et produit donc 13*103 photons.MeV-1. De plus, ce scintillateur a une densité proche de l'unité (µ = 1,03 g.cm-3) et la perte d'énergie des muons est pratiquement constante. Cette perte d'énergie est exprimée en MeV par g.cm-2 et vaut ici : dE/dm = 1,8 MeV.(g.cm-2)-1, avec dm = 1,03 (g.cm-3) * dx (cm) exprimée donc en g.cm-2 (avec dx l'épaisseur traversée). On peut donc retrouver, par exemple, le nombre de photons émis lorsqu'un muon traverse 4 cm du scintillateur :
     L'énergie laissée par le muon est donc dE = 1.8*1.03*4 = 7,42 MeV
     Le nombre de photons émis est alors : 13000*7,42 = 96460
Mais ces photons sont émis de façon isotrope dans l'espace (dans toutes les directions), il est donc difficile de tous les récupérer pour les "compter".
Le scintillateur émet donc des photons lorsqu'il est traversé par un muon (principale particule produite par la gerbe et qui arrive au sol).

Le principe du photomultiplicateur :

         Les photons lumineux sont transmis du scintillateur vers le photomultiplicateur. Une partie atteint la photocathode, puis émet des électrons par un mécanisme de photo- émission (on dit aussi : photoélectrons), pour cela, l'intérieur de photomultiplicateur est nécessairement sous vide. C'est-à-dire qu'une fraction des photons incidents transmettent par interaction la totalité de leur énergie aux électrons liés du matériau constituant la photocathode et ceux-ci sont alors éjectés. La photocathode possède un rendement de 10 à 30% (rendement quantique). Les électrons émis (photoélectrons) sont ensuite accélérés par un champ électrique vers la première dynode produisant environ 4 à 6 électrons secondaires pour 1 incident. Ce mécanisme se poursuit ainsi en cascade jusqu'à la dernière dynode et l'anode. Pour produire le champ électrique qui convient, les électrodes (dynodes et anode) sont polarisées successivement avec un potentiel croissant. Ainsi, avec dix étages de dynodes, on peut obtenir un gain d'environ 106~107. La durée du signal est très courte (une dizaine de nanosecondes pour un scintillateur plastique) et le photomultiplicateur est capable de prendre en compte une nouvelle impulsion lumineuse 10 à 20 ns après (~100 MHz). En effet, les électrons sont accélérés par un champ électrique inter- dynode obtenu en appliquant une différence de tension de l'ordre d'une centaine de volts entre chaque dynode. Cette tension est générée par une alimentation haute tension extérieur au photomultiplicateur. Il est relié à l'alimentation par les broches qui se trouvent au niveau de la base de photomultiplicateur (en "bas" sur la coupe). Les broches sont numérotées et il y a une broche "cassée", c'est un détrompeur. On se reporte à la fiche (les données constructeur) du photomultiplicateur qui indique comment alimenter ce dernier pour un rendement optimal. Il a donc la particularité d'être extrêmement rapide et sensible ce qui permet des taux de comptage élevés.
Le photomultiplicateur mesure donc un flux lumineux (flux de photons).

Schémas :


En coupe :


         Il y a un "bruit de fond" intrinsèque à l'appareil, c'est pour supprimer ce bruit de fond que l'on utilise deux photomultiplicateurs par détecteur. On gardera en effet seulement les impulsions simultanées des deux appareils. L'impulsion crée un courant (la lumière est convertie en courant par le photomultiplicateur, c'est un générateur de courant parfait). On la récupère sous forme de tension avec une résistance (par exemple 50 Ohms), ce qui permet, grâce à la relation I=U/R de retrouver le courant I. Puis avec la relation i(t)=dq(t)/dt, on retrouve le nombre de charges. Enfin on sait que le gain est de 106 ; on peut donc, suivant ce procédé retrouver le nombre de charges initiales. La surface de l'impulsion est proportionnelle à l'énergie de départ.
Une impulsion :
Le couplage scintillateur- photomultiplicateur permet donc de détecter les rayons cosmiques avec une très grande précision.