Définition et caractérisation d un détecteur à noyaux de recul pour l établissement de références de champs neutroniques mono énergétique pour l installation AMANDE. Amokrane ALLAOUA, 1 ère année de thèse, début de thèse : 10/10/2008 1) Introduction Que ce soit en recherche fondamentale (mesure de section efficace, expériences auprès de faisceaux riches en neutrons, radiobiologie ) ou dans les domaines plus appliqués (développement et test de dosimètres), les demandes de champs neutroniques connus sont en nette augmentation. Le laboratoire LMDN a développé une activité importante et reconnue dans le domaine de la dosimétrie des neutrons et dispose de diverses installations implantées sur le site de Cadarache. Dans le cadre de ses activités, l IRSN s est doté d une installation dénommée AMANDE. Elle permet d étudier les réponses des dosimètres et plus largement des systèmes de détection neutrons ou gamma par la production de champs monoénergétiques neutrons (entre 2 kev et 20 MeV) et photons (~7 MeV) de référence. Les deux principaux paramètres de ces champs sont leur énergie et leur fluence. Pour qu un champ de rayonnement puisse être considéré comme une référence, il est nécessaire que ces deux paramètres soient connus de manière absolue. Les systèmes de référence actuellement détenus par le laboratoire sont des compteurs proportionnels gazeux sphériques et des scintillateurs liquides utilisant la méthode des protons de recul. Ces deux systèmes ont été étalonnés auprès du laboratoire primaire allemand PTB (Braunschweig). Ces détecteurs, étant des étalons secondaires, ne peuvent cependant donner des références absolues et nécessitent des méthodes d analyse par déconvolution (utilisation d une matrice de réponse simulée). Ces deux problèmes peuvent être résolus par l utilisation d un télescope à protons de recul conventionnel. Dans le but de réduire le temps d irradiation pour déterminer les références du champ, le LMDN a pour objectif de définir et de caractériser un détecteur à noyaux de recul qui aurait une meilleure efficacité qu un télescope à proton de recul conventionnel. Ce projet fait l objet d une thèse cofinancée par le Laboratoire National de métrologie et d Essai (LNE). 2) Le principe du Télescope à Proton de Recul (TPR) Le Télescope à Protons de Recul est un système de détection mesurant la fluence et l'énergie de neutrons délivré par une source. Le T.P.R. est basé sur la détection d un noyau de recul, ici un proton, provenant de la diffusion élastique d un neutron sur une cible appelée convertisseur ou radiateur. En général, le convertisseur est une feuille de polystyrène [( CH)n] ou du polyéthylène [ ] ( 2. L énergie CH ) n du proton de recul ( E ) est reliée à l énergie du neutron incident ( E ) par la relation E / cos 2 n = E p θ p, où θ est l angle de diffusion du proton de recul. Un système composé de n A. ALLAOUA 1
plusieurs détecteurs (télescope) est placé à un angle θ donné, afin de mesurer la perte d'énergie des protons dans chaque détecteur. Par une analyse par coïncidence l'énergie du proton peut être déduite ou reconstruite. Les systèmes utilisés par nos homologues européen [PTB] [1] et japonais [PSPRT] [2] ont une résolution en énergie d environ 6% et une incertitude sur la détermination de la fluence d environ 3%. Cependant l efficacité de détection est très faible : 10-5. Figure 1: Schéma de principe d'un Télescope à protons de recul. 3) L amélioration du dispositif L objectif est de trouver une solution pour augmenter l efficacité de détection tout en gardant des performances à minima comparable avec les T.P.R. précédemment mentionnés, en terme de résolution en énergie et de précision en fluence. L utilisation de détecteurs à localisation permet de conserver l information sur l angle d émission du proton, information indispensable pour déterminer l énergie du neutron incident avec précision. Ce type de système permet de plus d augmenter l angle solide de détection et d améliorer ainsi son efficacité. Pour couvrir le large domaine en énergie des neutrons produits par l installation AMANDE, deux systèmes sont actuellement en cours d étude. Le télescope à proton de recul utilisant les capteurs CMOS (TPR-CMOS) est dédié aux plus hautes énergies tandis que la micro chambre à projection temporelle à hélium 4 (µtpc 4 He) sera utilisée pour les plus basses énergies. 4) Le projet TPR-CMOS Le télescope à proton de recul utilisant les capteurs à pixels actifs CMOS [3] [4] est un projet en collaboration entre le LMDN et le laboratoire RAMSES de l IPHC de Strasbourg. Ce dispositif (figure 2) est une solution pour l établissement de référence des champs neutroniques pour la gamme des hautes énergies d AMANDE ( 10 à 20 MEV). Il est constitué en première partie d un convertisseur n/p, suivie de trois détecteurs CMOS. Les protons, après le passage dans les CMOS, s arrêtent dans un détecteur Silicium. Les CMOS permettent de localiser le passage du proton mais ne délivrent pas d information sur l énergie perdue lors de son passage. C est pourquoi ces plans de détection CMOS doivent être les plus fins possibles. Les 3 plans permettent de déterminer sans ambiguïté le parcours du proton. La détermination de l énergie du proton se fait en ajoutant à la mesure de l énergie dans le Si, l estimation par calcul de l énergie perdue lors du passage dans les 3 CMOS et le convertisseur. a) Le convertisseur Afin d'optimiser les performances du TPR-CMOS, une étude détaillée du convertisseur n/p a été réalisée. Le polyéthylène s avère être le meilleur choix de convertisseur de par sa proportion en hydrogène. Le code de calcul Monte Carlo MCNPX [5] a été utilisé afin de modéliser les diffusions élastiques des A. ALLAOUA 2
neutrons avec les noyaux d'hydrogène (voir figure 3). Le nombre de protons de recul sortant du convertisseur, augmente avec l épaisseur du convertisseur jusqu à atteindre un seuil. La variation de ce nombre en fonction de l'énergie dépend de deux paramètres : la section efficace de diffusion élastique, et la valeur du parcours du proton dans le milieu. Ces deux paramètres jouent des rôles antagonistes. La section efficace diminue quand l énergie des neutrons augmente (voir figure 4). Le parcours des protons, lui augmente quand l énergie des protons augmente. A partir des résultats de simulation, l étude de la distribution angulaire des protons de recul sortant du convertisseur a été réalisée pour des énergies différentes et plusieurs épaisseurs de convertisseur (exemple figure 5). Le nombre de protons sortant est maximum à 0 et diminue quand l angle de recul augmente. Figure 2 : Schéma du TPR-CMOS Figure 3 : Variation du nombre de protons de recul sortant du convertisseur en fonction de l'épaisseur du convertisseur, pour plusieurs énergies en neutron. Section efficace en Barn 5 4 3 2 1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Energie des neutrons incidents en MeV Figure 4 : Section efficace de la réaction H(n,p)n distribution des protons de recul (nombres de protons par unité d'angle solide (sr)) 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 0 20 40 60 80 angle des protons de reculs (en ) Figure 5 : Distribution des protons de recul pour des neutrons incidents d'10 MeV. Epaisseur du convertisseur: 100µm NPS=10E8Figure 5 A. ALLAOUA 3
b) Les étages de détection (le télescope) A partir des simulations, le rapport entre le nombre de protons sortant des CMOS et le nombre de neutrons incidents dans le détecteur est indiqué dans le tableau 1. Le nombre de protons sortant des CMOS prend en compte ceux créés par la diffusion élastique dans le convertisseur, mais aussi ceux créés par réaction avec le silicium et l oxygène dans les CMOS. Il sera nécessaire lors des mesures de faire une discrimination des protons venant de ces différentes réactions. Energie des neutrons (MeV) 5 10 15 20 Rapport p/n 1,47.10-6 1,94.10-4 1,69.10-4 1,11.10-4 Tableau 1 : Rapport entre le nombre de protons sortant du dispositif CMOS X 3 (70 µm) et le nombre de neutrons incidents, en fonction de leur l énergie. Le convertisseur et les capteurs CMOS ne donnent pas d information sur la perte d énergie des protons. Celle-ci sera approximée, à partir de l épaisseur de matière traversée défini par l angle de diffusion, par un calcul de perte d énergie. La figure (6) montre la perte d énergie d un proton de 20 MeV traversant, à 0, 100 µm de polyéthylène, l épaisseur de 200 µm de silicium (représentant les 3 CMOS) et enfin s arrêtant dans le détecteur silicium, ce calcul a été réalisé avec le code SRIM [6]. Les protons perdent très peu d énergie dans les deux premières parties : 7.5% de l énergie totale. Ainsi l incertitude relative liée au calcul de la perte d énergie n affectera que 7,5% de l énergie totale. Figure 6 : Distribution de la perte d énergie d un proton de 20 MeV dans les différentes parties du TPR-CMOS (réalisé avec SRIM ). 5) Le projet µ-tpc 4 He La définition d une µ-tpc 4 He est réalisée dans le cadre d une collaboration entre le LMDN et une équipe du LPSC de Grenoble. Cette équipe travaille dans le domaine de la détection du neutralino χ ; dans le cadre du projet MIMACHe3, des µ-tpc à 3 He sont utilisées [7] [8] [9]. Pour répondre au objectifs du LMDN, le dispositif sera adapté à la détection neutron en utilisant un mélange gazeux d 4 He et de C 2H4. La figure (7) présente une vue schématique du module rempli d 4 He pour la détection des neutrons de basses énergies produits auprès d AMANDE. Lorsqu un neutron interagit dans la chambre, il induit un alpha de recul d énergie maximale 16 /25En. Le noyau de recul dépose son énergie en créant des paires e-/ion. Les A. ALLAOUA 4
électrons dérivent vers la grille ou GEM sous l influence du champ électrique. Ils sont alors amplifiés entre la grille et l anode de lecture. Les signaux induits sont collectés dans le plan de l anode. Celle-ci est pixellisée avec un pas de l ordre de 350 µm pour permettre une projection bidimensionnelle de la trace de l événement de recul. Figure 7 : Vue schématique de la µtpc 4 He. Il s agit d une chambre à ionisation remplie d 4 He gazeux à température ambiante. Les espaces de dérive et d avalanche sont séparés par la grille (pointillés). L anode pixellisée permet d obtenir une projection 2D des événements de recul. a) Etude de la distribution angulaire Afin de pourvoir valider les futures simulations MCNPX sur un dispositif le plus réaliste possible. Plusieurs paramètres du code doivent être vérifiés, tels que la distribution angulaire et la distribution en énergies des alpha de recul dans l 4 He, dans la gamme des basses énergies d AMANDE. La µtpc est simulée par un cube de 15*15*15 cm 3 (dimension d une µtpc de MIMACHE) rempli de 4 He pur à pression atmosphérique ou à 100 mbar. Dans le cas de neutrons de faibles énergies (quelques kev), une pression de 100 mbar permet de définir les traces des alpha avec plusieurs points de pixellisations. Des simulations ont été réalisées avec une source de neutrons mono énergétiques et mono directionnels dont l énergie varie de 5.6 kev (figure 8) à 100 kev. En diminuant l énergie des neutrons, on constate que les faibles angles de diffusion élastique sont privilégiés. MCNPX génère le transport des alpha mais un seuil de 1 kev existe dans le code sur leur énergie. Dans MCNPX, les alpha sont considérés comme arrêtés dans la matière lorsqu ils arrivent à une énergie de 1 kev. Il s agit donc d un artefact lié aux limites du code. b) Comparaison entre MCNPX2.6C et SRIM pour le calcul du parcours Une comparaison est réalisée entre le calcul du parcours des alpha de reculs dans le gaz avec MCNPX et avec SRIM. La figure (9) présente cette comparaison pour 1 bar de pression. SRIM est reconnu dans la communauté scientifique comme une base de données réalistes et pertinentes afin d estimer, entre autres, le parcours des particules chargées dans la matière. Les écarts très importants entre les deux codes à basse énergie se réduisent lorsque l énergie augmente et deviennent négligeable au-delà de 2 MeV. Dans le cas d alpha dans la plage en énergie inférieur au MeV, la perte d énergie fait intervenir les pouvoirs d arrêt électroniques et nucléaires. L effet de ce dernier est négligeable devant le pouvoir d arrêt électronique à grande énergie mais devient du même ordre de grandeur pour des énergies de l ordre du kev. La paramétrisation du pouvoir d arrêt nucléaire n est plus réaliste à basses énergies (< 2 MeV) dans le code MCNPX et conduit à une sous estimation du parcours des alpha. A. ALLAOUA 5
120 gaz: helium4 pression: 100mbar nombre d'alphas total: 387 100 nombre de neutrons entrants: 17909007 10 nombre d'alphas de recul 80 60 40 20 Range (cm) 1 0,1 gaz: helium4 pression: 1bar 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 angle de diffusion élastique entre le neutron et 4He. Simulation MCNPX2.6c Simulation SRIM 0,01 0,1 1 10 Energie des alpha (MeV) Figure 8 : Distribution angulaire des alpha de reculs pour des neutrons de 5,6 kev. Figure 9 : Comparaison du range des alpha entre MCNPX et SRIM. 6) Conclusion et perspectives Cette étude est détaillée dans un rapport interne IRSN [10]. Par rapport aux TPR du PTB et du PSPRT, l efficacité du TPR-CMOS est 10 fois supérieure. Il reste un certain nombre de paramètres à étudier afin d évaluer la précision sur l énergie des neutrons que nous pouvons atteindre. Cette évaluation se fera en tenant compte de la mesure de l énergie déposée dans le silicium (et son incertitude associée) ainsi que du calcul de la perte d énergie dans le convertisseur et les CMOS à partir des tables de SRIM. Une campagne de mesure devrait être fixée vers le début 2008 afin de tester le dispositif auprès de l installation AMANDE. Des simulations vont être réalisés afin d estimer les temps de mesures nécessaires, compte tenu des caractéristiques des champs neutroniques produits. Il reste un certain nombre de paramètres à étudier pour la µtpc. L évaluation de la précision attendue sur les mesures de l énergie sera réalisée à partir des résultats des modélisations couplé avec le code GARFIELD [11] (ce code prend en compte les champs électriques et magnétiques dans l enceinte gazeuse). D autres paramètres tels que la pixellisation de l anode, la résolution angulaire et la précision du facteur de «quenching» seront à prendre en compte. Une campagne de mesures devrait être réalisé début 2008 auprès d AMANDE pour des énergies neutroniques de 8.2 kev et 144keV. Références [1] B.R.L. Sievert, H.J. Brede and H.Lesiecki, Nucl. Instr. and. Meth. A235(1985)542-552 [2] T.Miura et al., Nucl. Instr. and. Meth. A493(2002)99-105 [3] D. Husson et al., Nuclear Instruments And Mehods in Physics Research A 569, 845 [4] A.Nachab, D.Husson, A.Nourreddine, S.Higueret, Nucl. Instr. and. Meth.B225(2004)418-422. [5] http://mcnpx.lanl.gov [6] http://www.srim.org/srim/srim2003.htm [7] E. Moulin, F. Mayet, D. Santos, Physics Letters B 614 (2005) 143 154 [8] D Santos et al, Journal of Physics: Conference Series 39 (2006) 154 156 [9] Thèse, detection directe de Matière Sombre non-bayonique avec l hélium 3, laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie, CNRS/IN2PP3-Univerité Joseph Fourier, E. Moulin, septembre 2005. [10] Rapport DRPH/SDE n 2007-28, A. Allaoua. [11]cern.ch/garfield A. ALLAOUA 6
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