Rayons gammas: une chambre à fission pour cible active

Publié par Adrien le 25/05/2020 à 09:00
Source: CEA IRFU
Le DPhN en collaboration avec le DEDIP, la DAM Ile de France (DAM/DIF) et JRC-Geel a développé une chambre à fission compacte servant de cible active au centre du calorimètre gamma de la Collaboration n_TOF. Ce dispositif permet d'étudier les rayons gammas spécifiquement issus des réactions de capture (Une capture, dans le domaine de l'astronautique, est un processus par lequel un objet céleste, qui passe au voisinage d'un astre, est retenu dans la gravisphère de ce dernier. La capture de l'objet céleste...) radiative (n,γ), souvent noyés dans un flot d'événements de fission également générateurs de gamma.

La section efficace (Une section efficace est une grandeur physique correspondant à la probabilité d'interaction d'une particule pour une réaction donnée de la physique nucléaire ou de la physique des particules....) de capture radiative (n,γ) des actinides joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les mâchoires. On appelle aussi joue le muscle qui sert principalement à...) un rôle important dans le bilan neutronique d'un réacteur nucléaire (Un réacteur nucléaire est un dispositif dans lequel une réaction en chaîne est initiée, modérée et contrôlée par l'humain...). À tel point (Graphie) que l'amélioration de notre connaissance de la section efficace de capture de l'uranium-233 est préconisée par l'Agence de l'OCDE pour l'énergie nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) (AEN) dans le cadre des études de réacteurs innovants utilisant le cycle thorium-uranium. Et pourtant, les difficultés expérimentales sont telles que les rares mesures disponibles sont contradictoires entre-elles.

En effet, pour mesurer la section efficace de capture neutronique (n,γ) d'un noyau fissile radioactif avec un détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation...) gamma, il faut pouvoir distinguer les rayons gammas issus des réactions de capture de ceux provenant des réactions de fission et du bruit de fond (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une...) radioactif (Figure 1). On place pour cela, au centre du détecteur de rayon gammas, une cible dite "active", c'est-à-dire une cible participant activement à la mesure. Elle prend la forme d'un détecteur compact à l'intérieur duquel se trouvent les noyaux d'intérêt qui vont interagir avec le faisceau de neutron (Le neutron est une particule subatomique. Comme son nom l'indique, le neutron est neutre et n'a donc pas de charge électrique (ni positive, ni négative). Les neutrons, avec les...) incident. Ce détecteur permet d'identifier à la fois les fragments issus des réactions de fission et les particules alphas issues des décroissances radioactives. L'utilisation de cette cible active au centre du détecteur gamma permet d'identifier tous les gammas associés à ces événements parasites et de ne retenir que ceux de la réaction de capture.


Figure 1: Représentation schématique des réactions de capture radiative (à gauche) et de fission (à droite) avec émission de rayons gamma dans les deux cas.

Cette technique complexe a été mise en oeuvre dans le cadre de la mesure des sections efficaces de capture et de fission de l'uranium-233 dont le ratio est de l'ordre de 1 pour 10. Pour cela, le Calorimètre gamma à Absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux niveaux d'énergie électronique. Le...) Totale (TAC) de la Collaboration n_TOF a été équipé d'une cible active développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme l'enveloppe de la famille des droites normales à la courbe.) par le DPhN en collaboration avec le DEDIP, DAM/DIF et JRC-Geel.

Le développement du détecteur a été guidé par les contraintes suivantes, partiellement contradictoires:
- Détecteur compact pour tenir dans un cylindre (Un cylindre est une surface dans l'espace définie par une droite (d), appelée génératrice, passant par un point variable...) de 10 cm de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le...) à l'intérieur du TAC;
- Quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de choses.) suffisante d'uranium-233 pour obtenir une précision statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon. D'une façon générale, c'est le...) acceptable;
- Détecteur rapide pour limiter les empilements de signaux à haut taux de comptage;
- Excellente résolution en temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) pour une mesure en coïncidence avec le détecteur gamma;
- Bonne résolution en énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) pour différencier les particules alpha des fragments de fission;
- Faible quantité de matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) pour minimiser le bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une sensation auditive.) de fond dû à la diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un produit, d'une information), voire de...) des neutrons.


Figure 2: Dessins de la chambre à fission (dont une vue en coupe montrant les deux empilements (stacks) de cellules d'ionisation (L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une molécule. L'atome - ou la molécule - en perdant ou en gagnant des charges...) dans lesquelles se trouvent les dépôts fissiles). Les blocs verts autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis, Kaupifalco,...) de la chambre représentent les préamplificateurs.


Figure 3: Réponse de la chambre à fission lors de la détection d'un fragment de fission. Le signal possède un temps de montée (10%-90%) de 16 ns et une largeur (La largeur d’un objet représente sa dimension perpendiculaire à sa longueur, soit la mesure la plus étroite de sa face. En géométrie plane,...) à mi-hauteur (FWHM) de 34 ns seulement.

La solution adoptée consiste en une chambre à fission multi-plateaux fonctionnant sur le même principe que celle développée par la DAM Ile de France [1]. La nouvelle chambre, plus compacte, contient deux empilements de cellules d'ionisation renfermant de minces couches d'uranium (L'uranium est un élément chimique de symbole U et de numéro atomique 92. C'est un élément naturel assez fréquent : plus...) (Figure 2). Au total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une somme. Exemple :...), ~46 mg d'uranium-233 ont été répartis sur chacune des 14 cathodes par électrodéposition à JRC-Geel en Belgique. La rapidité du détecteur est assurée par l'utilisation de tétrafluorométhane (CF4) comme gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend à...) ionisant et un espacement entre les électrodes de 3 mm seulement1. Ce choix est un compromis entre rapidité de réponse et résolution en énergie du détecteur, et permet une discrimination suffisante entre les particules alphas et les fragments de fission. Le gaz circule dans le détecteur à la pression atmosphérique (La pression atmosphérique est la pression de l'air en un point quelconque d'une atmosphère.) pour limiter les contraintes mécaniques et ainsi minimiser l'épaisseur du corps de chambre et des fenêtres. Ceci permet de réduire le bruit de fond généré par les neutrons diffusés. Les signaux des anodes sont pré-amplifiés et mis en forme par des circuits électroniques rapides spécialement développés par la DAM Ile de France. A titre d'illustration, le signal typique généré par un fragment de fission est caractérisé par un temps de montée (10%-90%) de 16 ns et une largeur à mi-hauteur (FWHM) de 34 ns seulement (Figure 3).


Figure 4: Chambre à fission complète, câblée et prête à l'emploi, montée au centre du calorimètre gamma (TAC) dans l'absorbeur de neutron (sphère blanche de 20 cm de diamètre).


Figure 5: Nombre normalisé d'événements (gamma) vus par le TAC en fonction de l'énergie totale déposée Esum pour des neutrons incidents de 1 eV à 10 eV et une multiplicité de 3 à 7. La combinaison (Une combinaison peut être :) du TAC et de la chambre à fission permet de distinguer les gammas de capture (en rouge) des gammas de fission (en bleu) et des décroissances radioactives alpha de l'uranium-233 (en gris). Les autres contributions sont déduites de mesures auxiliaires.

La mesure simultanée des sections efficaces de capture et de fission de l'uranium-233 a été réalisée auprès de la source de neutrons n_TOF du CERN, où la chambre à fission a été placée au coeur du TAC (Figures 4). La rapidité et l'efficacité du détecteur ont permis de distinguer les gammas de capture de ceux dix fois plus nombreux de fission dans un environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme environnement tend actuellement à prendre...) radioactif très important (Figure 5). Ce résultat spectaculaire, associé à une excellente maitrise de la précision de cette identification, a permis d'extraire la section efficace de capture dans les meilleures conditions. Les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) finales seront présentées dans une autre publication. In fine, ce travail contribuera à mieux simuler le comportement des réacteurs innovants utilisant le cycle thorium-uranium.

Ce travail permet également d'améliorer la connaissance des mécanismes de réactions des actinides, notamment grâce à la multiplicité et aux spectres des gammas de fission et de capture qui donnent accès à des informations de structure nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :).

Suite à ce premier succès, d'autres mesures utilisant une technique similaire sont maintenant prévues pour distinguer les réactions de fission des réactions (n,γ) et (n,xn) pour les isotopes fissiles du plutonium (Le plutonium est un métal lourd de symbole chimique Pu et de numéro atomique 94, très dense — approximativement 1,74 fois plus lourd que le plomb — radioactif et toxique, découvert aux...).

Ces développements ont été réalisés dans le cadre de la thèse (Une thèse (du nom grec thesis, se traduisant par « action de poser ») est l'affirmation ou la prise de position d'un locuteur, à l'égard du sujet ou du...) de doctorat (Le doctorat (du latin doctorem, de doctum, supin de docere, enseigner) est généralement le grade universitaire le plus élevé. Le titulaire de ce grade est le...) de Michael Bacak [2] effectuée au CERN au sein de la Collaboration n_TOF, en cotutelle entre l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission...) Paris-Saclay (Irfu/DPhN) et le TU Wien.

Plus d'informations techniques sur la chambre à fission et son utilisation comme cible active pour une mesure de capture sont publiées dans la référence [3].

Notes:
1 Le parcours typique d'un fragment de fission dans le gaz étant de l'ordre de 2 cm l'espace inter-électrodes de 3 mm seulement ne permet pas au fragment de déposer toute son énergie ce qui détériore la résolution.

Références
[1] J. Taieb, et al., A new fission chamber dedicated to Prompt Fission Neutron Spectra measurements, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 833 (2016) 1 ; https://doi.org/10.1016/j.nima.2016.06.137.
[2] M. Bacak, Development (Development est une revue scientifique bimensuelle à comité de lecture couvrant tous les champs de la génétique évolutive du développement allant de la biologie cellulaire, des cellules...) of a detector for the simultaneous measurement and for the study of uranium-233 capture and fission yields at the CERN n_TOF neutron source, Thèse de Doctorat en cotutelle Université Paris-Saclay (France) - Technische Universität Wien (Autriche), 25 octobre 2019.
[3] M. Bacak, et al., A compact fission detector for fission-tagging neutron capture experiments with radioactive fissile isotopes, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 969 (2020) 163981 ; https://doi.org/10.1016/j.nima.2020.163981.

Contacts:
Eric Berthoumieux, Emmeric Dupont (DuPont, de son nom complet E.I. du Pont de Nemours et compagnie, est une entreprise américaine, fondée en juillet 1802 à Wilmington, dans le Delaware, par Eleuthère Irénée du Pont de...), Frank Gunsing
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