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Du détecteur mono-canal au multidétecteur

On évoque ici la détection des neutrons à base de compteurs proportionnels à gaz qui, dans le contexte de l'ILL et hors imagerie, reste la plus performante car, presque insensible aux rayons gamma. Les grandes lignes de l'évolution des détecteurs intégrateurs est décrite séparemment.

Les multi- ou poly-détecteurs utilisant cette technologie sont des dispositifs qui comptent les neutrons tout en localisant leur point d'impact de façon plus ou moins précise. On les nomme donc "détecteurs à localisation" ou PSD pour "Position Sensitive Detectors". Prudence toutefois avec ce terme PSD qui est maintenant volontiers réservé aux seuls compteurs proportionnels à division de charge qu'on devrait plus correctement appeler "linear PSD". L'essentiel de l'évolution des détecteurs à localisation a été axé à la fois vers une amélioration de la précision de localisation et l'augmentation du domaine spatial couvert. La localisation reste à l'échelle du centimètre alors que les dispositifs intégrateurs permettent une localisation de type photographique.

Le monodétecteur roi

Les détecteurs mono-canal (ou monodétecteurs) de type compteurs proportionnels à gaz étaient la règle en 1971. Ils sont une évolution des chambres à ionisation des pionniers de la neutronique.

Sur la photo de 1949 on voit le spectromètre à neutrons avec lequel Clifford Shull a mené une partie des recherches qui lui ont valu un prix Nobel de physique en 1994. Comme la photo le montre, l'instrument est doté d'un monodétecteur de neutrons pouvant tourner dans le plan horizontal autour de l'échantillon. Il y a une grande ressemblance entre cet instrument de 1949 et des instruments de l'ILL des débuts comme les diffractomètres D2, D5, D8, D9. La situation va radicalement changer avec le développement de multidétecteurs de plus en plus grands.

1949 - Diffractomètre neutron à double monochromateur de Wollan et Shull. Le cylindre noir est la protection du monodétecteur tournant
©1949 ORNL, T.E. Mason et al. 2013
1974 - Diffractomètre à neutrons polarisés de l'ILL. Le cylindre vert, précédé d'un cône blanc, est la protection du monodétecteur tournant
©1974 Téléphérique Photo, Grenoble

Multidéteurs mono- et bi-dimensionnels

Parce que l'échantillon diffuse les neutrons dans toutes les directions, le rève du physicien est de disposer d'un détecteur sphérique couvrant presque 4π steradian. Mais est ce réalisable ?

Pour ce qui concerne les compteurs de neutrons, à l'ILL la bataille débute dès 1970 avec D6 et ses monodétecteurs mobiles. En parallèle des détecteurs à localisation sont inventés, d'abord monodimensionnels (droits ou courbes) qu'on appelle ici "multidétecteurs 1D" puis, très vite, bidimensionnels (plans ou courbes) et qu'on appelle ici "multidétecteurs 2D".

Plusieurs technologies s'affrontent de part le monde avec des fortunes diverses mais le groupe détecteur de l'ILL se concentrera sur un petit nombre d'entre elles.

 

Paver la sphère
Multidétecteurs 1D
Multidétecteurs 2D

Glossaire des technologies de multidétecteurs

SigleNomInstruments ILL en 2022
PSDPosition Sensitive DetectorA l’origine, c'était le terme générique désignant tout détecteur à enceinte unique qui délivre une information uni-dimensionnelle (1D), ou bi-dimensionnelle (2D), sur la position des neutrons détectés à l’intérieur de l’enceinte. Aujourd’hui, on réserve le terme PSD (ou "linear PSD") aux compteurs proportionnels à division de charge.
MWPCMultiWire Proportional Counter/ChamberAnodes et cathodes sont des fils tendus. Ce sont soit des détecteurs 1D soit des détecteurs 2D (fils croisés).
Instruments : D1B, D11 (avant 2020), D20 (avant 2023), D19, SALSA, D9, PF1B, PF2. D16 et D10 (en cours de remplacement en 2022)
MPGDMicro Pattern Gas DetectorFamille de détecteurs qui comprend les MSGC (MicroStrip Gas Counter), GEM (Gas Electron Multiplier), THGEM (Thick GEM), MicroMegas (Micro Mesh gas), uRWELL (micro resistive Well), etc. The CMS detector at CERN is equipped with a GEM subdetector to improve muon tracking.
MSGC

MicroStrip Gas Counter

Les fils sont remplacés par des pistes gravées sur un substrat en verre.
Instruments : D20, D4
MSPCMicroStrip Proportional CounterAncienne appelation des MSGC.
trench-MWPCtrench - MultiWire Proportional CounterMWPC particulière dans laquelle les fils de cathode sont remplacés par des lames métalliques; les fils d’anode sont positionnés à l’intérieur de cavités longitudinales dans ces lames.
Instruments: XtremeD et, en cours de développement en 2022, D16, D20, D10
MTMultitubeDes enceintes comprenant plusieurs tubes partageant le même volume de gaz. Les tubes peuvent être des tubes en inox, comme pour les PSDs (compteurs proportionnels à division de charge), mais à la différence de ces derniers, ils sont soudés en leurs deux extrémités sur des brides inox. Ils constituent alors une enceinte unique rendue étanche grace à des couvercles recouvrant les brides.
Instruments : IN13, IN5, PANTHER
MTGCMultiTube Gaz CounterAssociation de tubes PSD commerciaux
    D11 et Sharp
Tubes groupés en une seule enceinte
    IN5, Panther
MAMMonobloc Aluminum MultitubeLes MAM sont des MT dont tous les tubes sont usinés dans un unique block d’aluminium. Cette technologie est réservée aux petits détecteurs.
Instruments : Figaro, D17, IN16, D33, D3
MICROMEGASMICRO MEsh GASeous detectorA two-stage parallel-plate avalanche chamber of small amplification gap (100 μm) combined with a conversion-drift space.
MILANDMIllimeter Large Area Neutron Detector
GSPCGas Scintillating Proportional Chamber
GEMGas Electron MultiplierA micro-pattern gaseous ionization detector
ThGEMThick GEM
µRWELmicro Resistive WellA micro-pattern gas detector (MPGD) with a single amplification stage
WLSFWavelength shifting fiberFibre optique dans laquelle les photons capturés sont ré-émis avec une autre longueur d’onde. Quelques % de la lumière émise par le scintillateur sont réfléchis sur les parois internes de la fibre et sont détectés. Ce système permet de recouvrir une feuille de scintillateur avec des fibres parallèles pour en faire un détecteur à localisation.
Anger CameraDétecteur à localisation constitué par un scintillateur plat dont le signal est lu par un groupe de tubes photomultiplicateurs

Bruno : liste à compléter même avec des appelations utilisées de façon temporaire.

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Dernière mise à jour: 21 October 2022