CLAIRE: Premières Lumières d’une Lentille Gamma

CLAIRE: Premières Lumières d’une Lentille Gamma

Le réglage et les mesures au sol

 Le chapitre précédent nous a permis d’établir les caractéristiques cristallographiques et mécaniques de la lentille γ. L’objectif de la lentille est d’observer une source de 170 keV située à l’infini. Néanmoins, il est nécessaire de mettre en place une méthode fiable (et si possible simple) de réglage de la lentille γ en laboratoire, c.`a.d à distance finie. La possibilité de régler à distance finie une lentille prévue pour l’observation à l’infini se base sur la relation de conjugaison entre énergie diffractée et distance de la source, donnée par la formule 2..

La ligne de réglage au CESR 

La ligne de réglage a été mise en place dans la salle blanche du CESR (batimen ˆ t offrant la plus grande longueur disponible). Une description plus détaillée de son dimensionnement et de son installation initiale est donnée dans Laporte [2000]. Dans ce chapitre, nous allons donc donner la disposition générale de la ligne ainsi que les changements apportés depuis. 2.3. Le regla ge et les mesures au sol 69 Fig. 2.20: Dessin technique de la lentille (a) Schéma du montage (b) Photographie d’un cristal et de sa plaquette de montage Fig. 2.21: Montage des cristaux sur la lentille 70 2. La lentille gamma (a) Vue générale de la lentille vue du détecteur (b) Détail sur le montage des cristaux (face avant) Fig. 2.22: Photographies de la lentille après montage des cristaux 

Principe et mise en œuvre

 La figure 2.23 page suivante représente la ligne de réglage mise en place au CESR. La source X est située 14,162 m devant la lentille. D’après les cotes de la lentille (voir tableau 2.16, page 60), cela correspond à une énergie de réglage de 122,28 keV et une focale correspondante de 2,3 m. Le générateur X utilisé pour le réglage est constitué d’un tube à rayon X à anode de tungstène (générateur SAR développé par le CEA) de tension maximale 150 kV avec une intensité maximale de 200 µA sans refroidissement et 400 µA avec. Le spectre émis est un spectre continu duˆ au rayonnement de freinage des électrons dans la cible de tungstène. Ce spectre admet une énergie maximale émise correspondante à l’énergie maximale des électrons accélérés, soit 150 keV. La taille de la source est de 0.8 mm avec un angle d’émission d’environ 30◦ . Pour des raisons évidentes de radioprotection, il est nécessaire de collimater ce faisceau afin que seule la lentille soit illuminée (45 cm à 14,2 m, soit 1.8◦ ). La collimation est effectuée en plusieurs étapes : – Une plaque de plomb trouée fixée à l’avant du générateur restreint l’ouverture du faisceau à environ 7 ◦ (trou de 10 mm à 80 mm de la source). Un obturateur en tungstène relié à un électroaimant permet de bloquer l’émission des rayons X à la sortie du générateur. Monostable, ce dispositif ne permet le passage du faisceau que lorsque l’opérateur presse une pédale située au niveau de l’ordinateur d’acquisition. – Un diaphragme en tungstène (trou de 6 mm) est monté sur des plaines de translation Micro-Contrˆole suivant les axes horizontaux et verticaux. Placé à 16 cm de la source X, ce diaphragme collimate le faisceau X à 2 ◦ . Les deux mouvements de translation permettent de centrer ce diaphragme sur l’axe Source X – Centre lentille. Cet alignement est crucial puisque ce diaphragme sera réutilisé comme trou source optique pour le pointage de la lentille. – Un tube acier de 2,7 m de longueur avec un diamètre extérieur de 118 mm et intérieur de 95 mm et placé juste derrière le diaphragme assure une collimation supplémentaire fixe, au cas ou` le diaphragme tungstène soit mal positionné ou absent. 2.3. Le regla ge et les mesures au sol 71 Fig. 2.23: Photographie de la ligne de réglage du CESR. Le blindage de radioprotection autour du générateur a été enlevé. Afin de matérialiser visuellement le trajet du faisceau X, un système laser a été mis en place (voir médaillon de la figure 2.23 et schéma 2.24). Le faisceau est émis par un laser HeNe puis subi deux renvois à 90◦ . D’une part, cette chicane permet de gagner la place nécessaire à l’installation du laser, d’autre part, le boîtier d’alimentation et le tube laser étant nécessairement à l’extérieur du mur de plomb stoppant les émissions diffuses du générateur X, ils ne devaient pas pouvoir être en visibilité directe de la source X. Le deuxième miroir de renvoi est placé sur l’axe d’émission du générateur, monté sur deux platines goniométriques motorisées permettant une orientation précise du faisceau laser au niveau de la lentille. Pour le réglage des cristaux, il est nécessaire d’éclairer en X tout ou partie d’un cristal particulier. Ceci est réalisé par un masque rotatif placé devant la lentille (voir médaillon gauche de la figure 2.23). Ce masque est constitué de 3 mm de plomb pris en sandwich par deux disques de laiton afin de rigidifier l’ensemble et absorber les raies de fluorescence du plomb [Lonjou, 2002]. L’ensemble est percé d’ouvertures correspondantes aux emplacements des différents anneaux. De plus, un système de fente réglable en largeur et hauteur, 2. La lentille gamma Fig. 2.24: Dessin des différents collimateurs et du système de pointage laser à l’avant du générateur X fixé sur le masque, permet de sélectionner précisément la zone irradiée du cristal. La zone éclairée peut être contrˆolée par la projection du faisceau laser au travers de la fente : l’aire illuminée représente la zone d’incidence sur le cristal. En effet, la source étant à distance finie, l’énergie diffractée dépend du rayon, il faut donc régler précisément le rayon de la zone diffractante pour que l’énergie de réglage choisie pour un anneau donne une énergie diffractée de 170 keV à l’infini. D’autre part, et pour la même raison, la hauteur de la zone illuminée élargit le pic de diffraction (largeur “géométrique”) par rapport à la largeur intrinsèque de diffraction (largeur “mosa¨ıque”) (voir § 2.1.3.4, page 56). La largeur énergétique géométrique peut être estimée par :  appliquée à la ligne de réglage (2.131) ou` ∆r représente l’étendue radiale de la zone illuminée. L’impact du laser sur un cristal est visible sur la photographie en 2.22(b) page 70 (deuxième anneau, proche de la nervure verticale). Le détecteur HPGe et son électronique de traitement constituent le dernier élément de la ligne de réglage. Le détecteur lui-même est placé 2,312 m derrière la lentille (distance déterminée à partir de l’équation (2.117), page 60). Le détecteur utilisé au sol peut être celui de vol (matrice 3×3) mais deux autres détecteurs de plus grande surface (et volume) et de meilleure résolution énergétique ont été généralement utilisés dans ces circonstances : 2.3. Le reglage et les mesures au sol 73 le prototype P01 du spectromètre SPI/INTEGRAL et le détecteur CHAMPAGNE (prototype pour la cartographie γ des surfaces planétaires). Les données sont recueillies par un ordinateur et un logiciel dédié via un système d’acquisition 9 voies. L’électronique d’acquisition ainsi que le noyau du logiciel de traitement sont expliqués plus en détail dans Naya [1995]. Une fois tous ces éléments mis en place, le réglage des cristaux s’effectue en (dé)vissant l’écrou de réglage (voir figure 2.21, page 69). La variation d’angle induit une variation de l’énergie diffractée mesurée par la chaîne d’acquisition. Lorsque cette énergie correspond à 122,28 keV, le cristal a acquis la bonne inclinaison. Une goutte de colle permet alors de bloquer l’écrou et le cristal en position. Des valeurs numériques plus précises ainsi qu’une discussion sur les tolérances acceptables pour le réglage sont données dans l’annexe A page 237. Avant de voir la méthode utilisée pour aligner ces différents éléments, il est nécessaire de définir “physiquement” l’axe de la lentille. La définition et le repérage de cet axe sont primordiaux puisque son alignement sur la source conditionne l’exactitude du réglage et la détection de la source astrophysique. Il est naturel de définir l’axe de la lentille comme perpendiculaire au plan médian de sa structure. Néanmoins, cette définition n’est pas pratiquement applicable puisque le plan médian ne peut être repéré avec suffisamment précision (problèmes de mesures, incertitudes d’usinage), ni facilement comparable à une source située à grande distance. Un moyen plus pratique de définir un axe est d’utiliser une invariance par rotation suivant un axe. La première idée consiste à faire tourner la lentille dans son ensemble. Cette solution possède quelques avantages (tous les cristaux sont réglés au même emplacement, un masque de sélection tournant n’est plus nécessaire, . . .) mais aussi de grosses contraintes mécaniques (comment réaliser une rotation d’axe précis, stable, d’une pièce de 20 kg et 45 cm de diamètre, utilisable pendant le réglage et sur la nacelle de vol ?). La solution retenue fut donc de placer au centre de la lentille un petit télescope de visée optique (doublet achromatique + caméra CCD) monté sur des roulements à bille de précision. Un moteur couplé à un codeur rotatif permettent de faire tourner ce télescope par rapport au cadre de la lentille avec un minimum d’effort exercé (et donc de risque de désalignement). Le télescope central possède une focale de 140 mm pour un champ utile de 2,5◦ (X) par 1,86◦ (Y) (11,6 arcsec par pixel CCD). Cette lunette permet d’une part de visualiser globalement le champ de vue et, d’autre part, de repérer l’axe de rotation (voir section suivante sur les alignements). En effet, lorsqu’on observe une source lumineuse tout en faisant tourner la lunette, l’image de cette source décrit un cercle dans le plan focal. Le centre de ce cercle est la position de l’image d’un point virtuel situé à la distance de la source, et placé sur l’axe de rotation du télescope (c.`a.d, par définition, l’axe de la lentille). Ce pixel invariant peut dépendre légèrement de la distance de la source puisque l’axe optique de la lunette n’est pas exactement confondu avec son axe de rotation. On peut voir sur la figure 2.22(a) page 70 l’arrière de la caméra CCD au centre de la lentille. 

 Alignements des éléments de réglage 

Les différents éléments de la ligne de réglage ont été décrits précédemment, il reste néanmoins à définir les procédures permettant de les aligner les uns par rapport aux autres avec une précision de l’ordre de quelques secondes d’arc. 74 2. La lentille gamma La première étape consiste à placer grossièrement les éléments à leurs emplacements et orientations respectifs. La lentille est placée sur une table de la fraiseuse permettant des translations précises (0,05 mm) suivant les 3 axes et une grande stabilité. Entre la lentille et la table de translation, un plateau rotatif en azimut et un plateau goniométrique en élévation orientent la lentille avec une précision de l’ordre de la seconde d’arc. A ce stade, le générateur X est placé à sa position définitive, ce qui veut dire grossièrement orienté vers la lentille (étant donnés les 30◦ d’angle de faisceau, la tolérance est grande) mais aussi à la distance adéquate de la lentille. La tolérance sur la distance du générateur est donnée par la formule : ∆E∞ ≈ 470 µ ∆D 10 cm¶ eV (2.132) ou` ∆D est l’erreur sur la distance et ∆E∞ l’erreur correspondante sur l’énergie diffractée à l’infini. Cette formule est valide pour la ligne de réglage existante et une lentille réglée pour 170 keV à l’infini. D’après cette formule, une erreur de placement de 1 mm (précision typique facilement accessible avec des moyens de mesures classiques) donne une erreur de 4.7 eV sur l’énergie diffractée à l’infini. Cette erreur est très largement admissible puisqu’inférieure à la précision de mesure de l’énergie des pics. La source X et la lentille étant placées, la ligne de réglage est dans la situation schématisée par la figure 2.25(a) page suivante. Le but final est de faire pointer la lentille sur la source X avec une précision de l’ordre de la dizaine de seconde d’arc, soit 0,7 mm à 14 m. L’axe de la lentille étant repéré grˆace à une lunette optique, le diaphragme tungstène utilisé pour la collimation doit aussi être aligné précisément sur l’axe source X-lentille afin de servir ensuite de source optique pour l’orientation de la lentille. Alignement du diaphragme tungstène. Le positionnement de ce diaphragme se fait grˆace au faisceau X. De même que l’orientation de la lentille se fait par rotation de la lunette centrale (voir plus loin), la détermination de la position du diaphragme est déterminée par rotation autour du même axe. Un petit détecteur CZT (Cadmium Zinc Tellure, 3x3x2 mm) est monté solidaire du support tournant de la lunette, à une distance de l’axe réglable (10-20 cm) et sur la face avant de la lentille, orienté vers le générateur. Ce détecteur CZT est relié à un fréquence-mètre permettant de relever le taux de comptage des photons incidents (efficacité de détection maximale entre 10 et 100 keV). La rotation de la lunette centrale permet 6 positions, équiréparties, par tour. La position grossière du diaphragme (`a ≈0,5 mm près) est tout d’abord déterminée par homogénéisation du flux pour ces différentes positions. Ensuite, pour chacune des 6 positions, le diaphragme est déplacé (en X puis en Y) et on enregistre la variation du taux de comptage au cours de ces déplacements. Dans son mouvement, le diaphragme éclipse plus ou moins la source et le flux, initialement au niveau du bruit de fond (occultation totale) monte progressivement (occultation partielle) puis atteint son maximum (éclairement total) avant de décroître de fa¸con symétrique. L’évolution du flux en fonction de la translation du diaphragme pour la position n ◦4 du CZT est représentée en figures 2.26 ..