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COSMIX, présentation du Détecteur

Le détecteur de muons

Le projet COSMIX vise à mettre à disposition des professeurs de Lycée des détecteurs de muons du rayonnement cosmique très simples d’utilisation. Ces détecteurs mettent à profit le « recyclage » de barreaux de scintillateur d’iodure de Césium (CsI) et leur électronique associée, utilisés précédemment pour des tests avant le lancement du télescope spatial à rayons gamma Fermi-LAT en 2008. Ces barreaux sont exactement similaires à ceux équipant le calorimètre du Fermi-LAT, mesurant l’énergie des rayons gamma. Le détecteur est robuste, léger, facilement transportable dans une petite mallette et ne nécessite qu’un câble USB pour son alimentation.

Au passage d’une particule chargée, un scintillateur produit de la lumière visible, qui peut être convertie en impulsion électrique par un photomultiplicateur ou une photodiode, comme ici.

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La figure ci-dessus présente un barreau nu (dimensions 32 cm x 3 cm x 2 cm, poids 1kg) du Fermi-LAT. On aperçoit les 4 broches dorées placées aux extrémités correspondant aux connecteurs des photodiodes de Silicium. Chaque photodiode est en fait double, comme montré ci-contre (seule la partie de grande surface est utilisée dans Cosmix). La charge électrique collectée est convertie en une impulsion en tension par des préamplificateurs placés au contact de la photodiode. Cette impulsion est amplifiée et mise en forme par des amplificateurs. Afin de pouvoir disposer de deux détecteurs indépendants, le barreau a été coupé en deux, comme montré ci-dessous. Les boitiers cuivrés contiennent les préamplificateurs alors que les amplificateurs sont logés dans le boitier en aluminium. Les signaux correspondant à chacun des deux demi-barreaux sont disponibles sur des sorties BNC. L’alimentation de l’ensemble se fait grâce à un simple cable micro-USB (5V).

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La figure ci-contre montre l’entrée USB pour l’alimentation. La consommation est de 150 mA. Le dispositif est sans aucun réglage et inusable. Dans l’utilisation que nous en avons au CENBG (photo ci-dessous), nous visualisons les signaux sur un PC portable à l’aide d’un petit oscilloscope numérique (cout : 300 euros) également alimenté par USB, ce qui rend le dispositif absolument transportable et utilisable sans le secteur (et donc opérationnel en voiture, en montagne, en avion…). Cependant n’importe quel oscilloscope très élémentaire de lycée permet de visualiser ces signaux.

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Les valises COSMIX

Afin de rendre le dispositif facilement transportable, il a été intégré dans une valise. Lors des premières présentations du projet, il est apparu qu’au-delà de la visualisation des signaux produits par le détecteur, il existait un fort intérêt pour le comptage des évènements. Le dispositif a donc été complété par un système de comptage des muons basé sur une simple carte arduino.

Un premier prototype a été testé lors du printemps 2013, deux autres aux caractéristiques légèrement différentes ont été construits durant l’été.

Le premier prototype est contenu dans la valise I, les prototypes de seconde génération dans les valises II et III.

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Valise I
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Valises II et III

Ces prototypes ont circulé dans les établissements de l’académie de Bordeaux à partir de la rentrée 2013. L’objectif de cette campagne d’essai a été de valider l’intérêt du concept afin de pouvoir lancer la production de la quarantaine de mallettes construites à partir des barreaux des barreaux de scintillateur disponibles. Au cours de cette campagne de test plus de 2000 élèves de l’académie de Bordeaux ont assisté à une séquence de cours mettant en œuvre COSMIX.

Cette campagne de tests à large échelle a permis d’une part de figer le design et de vérifier la robustesse du dispositif et d’autre part de valider le principe de la prise en main autonome du dispositif par l’enseignant.

Le design final COSMIX

A la suite de la campagne de test de 2013, le design final de COSMIX a pour l’essentiel été figé (Acquisition avec une Arduino Mega et affichage sur un écran LCD 16x2). Une première série de 18 mallettes a été produite au printemps 2014 (Numéro de série 2-xx), dix de ces mallettes ont été financées par la région île de France et sont destinées à circuler dans les Lycées sur un modèle comparable à celui mis en œuvre à Bordeaux (La mallette reste une à deux semaines dans un établissement avant d’être transmise à un autre, l’objectif étant de maximiser l’utilisation de l’équipement), les huit autres sont hébergées dans des laboratoires de l’IN2P3 et sont destinées aux actions de communication vers le public.

Une nouvelle série de 27 mallettes (Numéro de série 3-xx), a été produite durant le printemps 2015, 12 de ces mallettes sont destinées à circuler dans les Lycées de la Région Aquitaine et viennent ainsi concrétiser un partenariat initié il y a plusieurs années. L’unique modification apportée à cette troisième série est le remplacement du routage par fil des éléments de l’Arduino par une carte mezzanine devant améliorer la robustesse globale du dispositif d’acquisition. Cette série épuise la réserve de barreaux d’Iodure de Césium provenant de Fermi et hébergée au CENBG, cette troisième série sera donc en principe la dernière à être produite. Au final, les 48 cristaux localisés au CENBG auront trouvé une seconde vie dans une mallette COSMIX.

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