Developments and results 2005 

Conference LTD-11, Low Temperature Detectors, Tokyo, Japan, 31 July - 5 August, 2005

•   "Nuclear and atomic data determination with metallic magnetic calorimeters"
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Developments and results 2004 

Mesure du spectre de photons et d’électrons de ⁵⁵Fe avec un microcalorimètre magnétique 

Les objectifs par rapport à 2003 sont d’améliorer le seuil de détection en énergie (80 eV en 2003) et de réduire les constantes de temps du détecteur (temps de descente, 20 ms en 2003) afin d’augmenter le taux de comptage du détecteur sans dégradation des performances.

L’enjeu de la réalisation d’un tel détecteur est l’étude des spectres d’émission et la mesure d’activité des nucléides émetteurs de rayonnement de basse énergie ou se désintégrant par capture électronique, tel que ⁵⁵Fe. Jusqu’à ce jour, aucun détecteur conventionnel ne permet de détecter simultanément les électrons et les photons de 20 eV à 6 keV avec un rendement de détection proche de 100 %. En conséquence, des données atomiques telles que les probabilités de capture P_K, P_L, P_M n’ont jamais pu être mesurées directement. Elles sont déduites d’une mesure d’activité utilisant les valeurs des rendements de fluorescence publiées dans des tables. Mais ces valeurs sont elles même déterminées en utilisant des valeurs publiées de P_K, P_L, P_M.

Spectre théorique attendu :

⁵⁵Fe se désintègre par capture électronique principalement sur les couches K, L₃ et M. Pour chaque désintégration, l’énergie disponible est égale à l’énergie de liaison de l’électron capturé. Cette énergie est divisée entre tous les photons et électrons Auger émis lors du réarrangement électronique qui suit chaque capture. Elle est intégrée par le détecteur si sa constante de temps est supérieure à quelques picosecondes. Le spectre d’absorption totale des électrons et des photons est dans ce cas composé de quelques raies principales à 6500 eV, à 770 eV et en dessous de 85 eV, dont les aires représentent directement les probabilités de capture sur les couches K, L₃ et M (égales respectivement à 88,5 % et 9,8 % et non connues individuellement pour les couches M).

Conception et réalisation du détecteur enfermant en géométrie 4 pi la source :

La cible du détecteur est une feuille en Au pur sur laquelle est déposée une solution active de FeCl₃. La solution est ensuite sublimée (T < 200 K, et P < 10^-1 mbar) afin d’obtenir un dépôt actif homogène et des cristaux de faibles dimensions. La feuille d’or est alors repliée de façon à enfermer en géométrie 4 pi la source, puis laminée à une épaisseur finale de 24 µm permettant d’assurer une probabilité d’interaction des photons de 6,5 keV supérieure à 99,9 %.

Le thermomètre magnétique ou senseur est réalisé dans une feuille d’Au contenant 600 ppm en masse d’ions paramagnétiques Erbium. La géométrie du senseur, un cylindre de 50 µm de diamètre et de 10 µm de hauteur, est définie de façon à optimiser la sensibilité du détecteur. En 2003, les premiers senseurs avaient été réalisés par découpe laser. Les surfaces étaient endommagées et le diamètre inférieur à celui requis. Cette année, en collaboration avec l’Université de Heidelberg, nous avons exploité la technologie de la photolithographie pour la découpe des senseurs. La procédure est complexe et certains paramètres sont encore à optimiser, néanmoins quelques senseur ont pu être réalisés avec succès.

Le couplage thermique entre la cible et le thermomètre magnétique définit le temps de montée du signal; il doit être très efficace. Etant données les faibles dimensions de la cible (100 µm x 100 µm x 24 µm) et du senseur (diamètre 50 µm et hauteur 10 µm), le couplage est réalisé par soudure à froid grâce à un appareil de soudure à ultrasons. Le couplage thermique entre le détecteur et le bain thermique permet le retour à l’équilibre du détecteur après chaque interaction (temps de descente du signal). Il doit donc être plus faible que le précédent mais suffisamment rapide pour permettre un taux de comptage intéressant. En 2004 ce couplage a été réalisé avec une faible épaisseur d’une résine cryogénique choisie pour sa conductivité thermique.

Choix de l’électronique et du dispositif expérimental 

Le signal consécutif à une désintégration de la source enfermée dans la cible est une élévation de température qui se traduit par une variation du moment magnétique du senseur. Les faibles dimensions du détecteur permettent de placer le senseur directement dans la boucle d’un SQUID, magnétomètre très sensible. Un deuxième SQUID est utilisé pour amplifier le signal dans une configuration analogue à celle expérimentée en 2003. 

Les caractéristiques du détecteur (concentration en ions Er, capacité calorifique) définissent une température de fonctionnement pour laquelle sa réponse est optimale. Dans le cas du détecteur construit, cette température est comprise entre 20 et 30 mK. Le détecteur et son électronique sont donc intégrés dans un réfrigérateur à désaimantation adiabatique dont la température de base est de 21 mK (Université de Heidelberg).  

Développement d’un traitement du signal basé sur la physique de détection (collaboration avec le CEA/LETS)

L’enjeu est de parvenir à reconnaître avec un même détecteur des événements correspondant à des énergies réparties sur plus de deux ordres de grandeur, comprenant pour les plus faibles énergies, des signaux noyés dans le bruit. Les impulsions, d’une certaine durée, surviennent aléatoirement et ont une signature temporelle qui peut être représentée par une fonction de paramètres connus (physique du détecteur) ou à estimer (résultat du filtrage analogique de l’électronique). La base théorique est celle des systèmes linéaires à sauts Markoviens. Des données expérimentales non filtrées n’étant pas encore disponibles au moment du développement du traitement du signal, celui ci est réalisé sur une base de données simulées construites à partir des données enregistrées avec le détecteur réalisé en 2003. Quatre critères ont été choisis pour quantifier les performances : 1. le taux de non détections, 2. le taux de fausses alarmes, 3. l’erreur relative sur la durée de l’impulsion (par rapport à la durée idéale) et 4. l’erreur relative sur l’aire inscrite sous le signal durant la montée (supposée proportionnelle à l’énergie du photon). Les résultats obtenus sont indiqués dans le tableau 1.

Tableau 1 : Reprenant les amplitudes des évènements associés à la désintégration de ⁵⁵Fe, chacun des résultats est déterminé pour 100 réalisations de signaux

La figure 1 permet de visualiser le fonctionnement de l’algorithme proposé : un photon d’énergie 80 eV est suivi de peu par un photon de 20 eV. L’approche permet de reconnaître l’énergie la plus probable, puis estime très correctement le temps du début de chaque impulsion et leur durée. Ces résultats très prometteurs restent à valider sur des données réelles.

Figure 1 : cas de deux impulsions empilées (simulation 80 eV et 20 eV), dont une à très faible rapport signal à bruit 5.a : données simulées 5.b : impulsions idéale et estimée 5.c : chaînes idéale et estimée.   La chaîne est définie égale à 1 si on est en présence de bruit et égal à 2, ou plus suivant l’amplitude de l’impulsion

Résultats 2004 expérimentaux et analyse du spectre

Pour une désintégration, le temps de montée du signal après amplification de la chaîne électronique est 0,4 µs et le temps de retour à l’équilibre est 0,9 ms. La signature temporelle des impulsions permet de discriminer efficacement par un critère de chi² les évènements correspondant à une désintégration dans la cible de ceux correspondant à une interaction dans d’autres parties du détecteur (figure 2).  Le rapport signal sur bruit est excellent pour les évènements correspondant à une énergie de 6,5 keV. Le seuil de détection en énergie est de l’ordre de 30 eV. La résolution en énergie intrinsèque du détecteur est inférieure à 5 eV. La collection de l’énergie des électrons de 6,5 keV est supérieure 99 %. 

Ce détecteur, dont le volume est le double de celui des premiers microcalorimètres magnétiques, est à ce jour le plus performant en terme de constante de temps et de résolution en énergie pour une telle capacité calorifique. Ces performances ont été améliorées de près d’un ordre de grandeur par rapport à celles du détecteur conçu et réalisé en 2003. Une source plus active sera réalisée en 2005 pour obtenir un spectre de statistique suffisante pour permettre une détermination des probabilités de capture P_K, P_L, P_M.

Figure 2 : discrimination des évènements correspondant à l’absorption totale du rayonnement émis par une source de ⁵⁵Fe dans la cible de ceux correspondant à une interaction dans d’autres parties du détecteur. Ces résultats sont mesurés avec le microcalorimètre décrit précédemment. (La statistique très faible est due à une erreur lors de la sélection de l’échantillon à mesurer.)

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