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Mesures de sections efficaces

Dernière mise à jour : mercredi 18 janvier 2017

Depuis 2008, le groupe hadronthérapie est impliqué dans la mesure des sections efficaces doublement différentielles (angle azimutal et énergie) de fragmentation du carbone sur différentes cibles. Ces mesures sont indispensables pour estimer les effets physiques et donc la dose physique déposée lors de la planification du traitement. Bien qu’un nombre conséquent de campagnes de mesure aient déjà été effectuées, des données sur les sections efficaces manquent dans certains domaines en énergie.
Des campagnes de mesures ont été réalisées au GANIL (Caen) à 95 MeV/u d’énergie de bombardement des ions carbone. Ces expériences ont été effectuées en collaboration avec les laboratoires du LPC Caen et de l’IPN Lyon, en cible épaisse de 15 mm de PMMA en 2008 puis en cibles fines (C, CH2, Al2O3, natTi) d’épaisseur 100 mg/cm2 en 2011. Une mesure dédiée aux petits angles a été réalisée en 2013. Et enfin une dernière campagne à basse énergie (50MeV/u) a été effectuée en 2015.
Les particules issues des réactions nucléaires ont été mesurées à l’aide de télescope à trois étages (silicium fin : 100 μm, silicium épais : 1000 μm et un scintillateur CsI : 10 cm) placés à différents angles. A partir des pertes d’énergie dans les différents étages, il est possible d’identifier les différents types d’isotopes émis. Le groupe CAN a participé aux deux campagnes. L’analyse des données de la deuxième campagne (E600) a été réalisée de façon conjointe entre les groupes du laboratoire du LPC et de l’IPHC. Un exemple de distribution angulaire des isotopes d’état de charge Z = 1 pour la réaction 12C+12C est représenté sur la figure 3. Tous ces résultats ont donné lieu à trois publications [1], [2], [3]. Une autre campagne pour des mesures proches de zéro degré s’est déroulée en septembre 2013.


FIGURE 1 : Distributions angulaires pour les isotopes d’état de charge Z =1 pour la réaction 12C+12C à 95 MeV/u [4].

Depuis 2010, nous sommes également engagés dans la collaboration internationale FIRST (Fragmentation of Ions Relevant for Space and Therapy) auprès de l’accélérateur SIS du GSI (Darmstadt - Allemagne). De même que pour les campagnes expérimentales au GANIL, on se propose de mesurer des sections efficaces dans la réaction 12C+12C mais cette fois-ci à 400 MeV/u. Le détecteur FIRST est composé d’un moniteur de faisceau, d’un détecteur de vertex, d’une chambre à projection temporelle et d’un dispositif de temps de vol. Se rajoutent à ceci un ensemble de détecteurs pour le système de déclenchement et un calorimètre pour les grands angles azimutaux ( θ > 5º). Le détecteur de vertex a été pris en charge par le laboratoire de l’INFN de Rome et les groupes PICSEL et CAN de l’IPHC. Notre groupe est responsable de toute l’implémentation des algorithmes de reconstruction. Ce détecteur est composé de huit siliciums fins de type CMOS répartis sur quatre plans. Chaque capteur a une surface active de 1×2 cm avec des pavés de lecture d’une taille de 18 microns répartis sur 1152 lignes et 576 colonnes. Le dispositif a été testé en mars 2011 au cyclotron de l’INFN-Catane avec des faisceaux de protons et de carbones à 80 MeV/u d’énergie. Toutes les données ont été analysées par notre groupe. Ces résultats ont donné lieu à une publication [5]. D’autres tests de caractérisation du détecteur sont programmés au cours du premier semestre 2014.
La campagne de mesure avec l’expérience FIRST a été effectuée en août 2011 avec une cible de carbone et avec une cible d’or, à une énergie de 400 MeV/u. Il a été possible d’obtenir des sections efficaces pour tous les états de charge voire pour certains isotopes (états de charge Z = 1 et 2). Un exemple de distribution angulaire pour les isotopes d’état de charge Z =1 est reporté dans la figure 4. Ce travail a été réalisé en très grande partie au sein du groupe hadronthérapie. L’étudiant du groupe dont le sujet de thèse portait sur l’analyse des données des expériences E600 et FIRST, a soutenu sa thèse le 11 septembre 2013.



FIGURE 2 : Distributions angulaires pour les isotopes d’état de charge Z=1 pour la réaction 12C+12C à 400 MeV/u [4].

Parallèlement à ces travaux de mesure de section efficace, nous avons commencé l’étude d’un dispositif de mesure pour la salle de physique du centre ARCHADE en collaboration avec les physiciens du LPC de Caen. Ce dispositif sera constitué d’un trajectographe couplé à un système de détection de temps de vol.


[1B. Braunn et al., Nucl. Inst. Meth. B 269 (2011), 2676.

[2J. Dudouet et al., Nucl. Inst. Meth. A 715 (2013), 98.

[3J. Dudouet et al., Phys. Rev. C 88 (2013), 024606.

[4D. Juliani, thèse de doctorat (2013).

[5E. Spiriti et al., Nucl. Inst. Meth. A (2013)