Configuration dédiée à la mesure d’interrogation photonique active

La cellule de mesure réalisée doit permettre aux expérimentateurs de procéder à la mesure d’interrogation photonique active du fût une fois la mesure d’interrogation neutronique active effectuée. La réalisation séparée de ces deux techniques d’irradiation permet ainsi d’offrir une configuration optimisée pour chacune des mesures. Nous nous attachons donc à concevoir une cellule de mesure neutronique compatible avec la mesure d’interrogation photonique active en veillant tout particulièrement aux aspects pratiques d’un tel changement de configuration de mesure. Nous avons d’abord entrepris de caractériser le

2 _{La cellule de mesure en polyéthylène utilisée lors de la mesure par interrogation neutronique active est} retirée lorsque l’on procède à la mesure par interrogation photonique active.

118 flux de photons délivré par l’accélérateur en termes de distribution angulaire et de distribution angle-énergie.

Nous avons simulé avec MCNPX la distribution angulaire des photons émis par une cible en tungstène de 5 mm d’épaisseur et de 5 cm de diamètre. Nous nous sommes intéressés à des énergies d’électrons de 10 MeV, 15 MeV et 20 MeV. Nos résultats sont présentés sur la figure 4.22 où l’axe des ordonnées est présenté sous forme d’échelle logarithmique. Nous pouvons remarquer que la distribution angulaire présente une forte anisotropie dans l’axe du faisceau d’électrons et que cette dernière est d’autant plus importante que l’énergie des électrons considérée est élevée. L’atténuation visible dans le plan du diamètre de la cible (aux environs de 90°) s’explique par le fait que les photons émis le long du diamètre de la cible présente une importante probabilité d’être absorbés avant de pouvoir s’échapper. Sur cette même figure, nos résultats sont comparés avec ceux obtenus par M.J. Berger et S.M. Seltzer [Berger70]. Ces derniers se sont intéressés à la distribution angulaire des photons provenant d’une cible de conversion en tungstène irradiée par des électrons de 30 MeV. Ils présentent plusieurs distributions pour différentes épaisseurs de cible. Les épaisseurs, notées l, sont exprimées sous forme de fraction de m_;, le parcours moyen des électrons dans la cible. L’allure de ces distributions angulaires est conforme avec celles que nous avons obtenues.

Figure 4.22 : Distribution angulaire du flux de photons émis par une cible de tungstène irradiée par des électrons de 10 MeV, 15 MeV et 20 MeV. Comparaison des calculs MCNPX (à gauche)

avec ceux publiés par Berger et al. [Berger70].

Nous avons déterminé la relation entre la distribution angulaire des photons émis par la cible de tungstène de 5 mm d’épaisseur, et leur énergie moyenne par segment angulaire. Nous avons réalisé ces calculs pour une énergie d’électrons de 15 MeV. Nos résultats sont présentés sur la figure 4.23. En guise de comparaison, cette figure montre de plus les résultats obtenus pour ces mêmes calculs effectués pour les photoneutrons émis par la cible. Cette figure présente également une comparaison de nos résultats avec ceux publiés par H.-B. Xu et al. [Xu10]. Ces derniers ont étudié la relation entre la distribution angulaire et l’énergie moyenne pour les photons, les photoneutrons, et les électrons de fuite, émis par une cible de tantale irradiée par des électrons de 20 MeV.

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Figure 4.23 : À gauche : distributions angle-énergie simulées avec MCNPX pour les photons et les photoneutrons émis par une cible de tungstène de 5 mm d’épaisseur irradiée par des

électrons de 15 MeV. À droite : résultats publiés par H.-B. Xu et al. [Xu10].

Les photons émis vers l’avant sont les plus énergétiques. C’est pour cette raison que le fût est positionné face à la cible de conversion de l’accélérateur lors d’une mesure d’interrogation photonique active. Nos résultats, en accord avec ceux publiés par H.-B. Xu et al., montrent que l’énergie moyenne des photons émis dans l’axe est d’un peu plus de 3 MeV. De manière générale, l’énergie des photons décroît de 0 à 180°, bien qu’un sursaut apparaisse à 90°. En effet, les photons les moins énergétiques émis le long du diamètre sont réabsorbés, ce qui contribue à élever l’énergie moyenne dans cette direction (effet de durcissement du spectre). Probablement en raison d’un diamètre de cible plus important, le sursaut en question est plus important sur les résultats présentés par H.-B. Xu et al. La longueur du diamètre de la cible n’a pas été précisée par les auteurs. Concernant les photoneutrons, aucune corrélation entre la distribution angulaire et l’énergie moyenne n’a été mise en évidence lors de nos calculs, ni lors de ceux de H.-B. Xu et al. L’énergie moyenne des photoneutrons est d’environ 1 MeV quel que soit leur angle d’émission.

Nous avons ensuite déterminé l’épaisseur de cible permettant d’optimiser la production de photons de haute énergie (photons présentant une énergie au moins égale à 6 MeV). Ces calculs ont été réalisés pour des électrons de 10 MeV, 15 MeV ou 20 MeV irradiant une cible de tungstène d’épaisseur variable. Nos résultats sont exposés sur la figure 4.24.

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Figure 4.24 : Production de photons de plus de 6 MeV en fonction de l’épaisseur d’une cible de tungstène irradiée par des électrons de 10 MeV, 15 MeV, ou 20 MeV.

Les épaisseurs de cible permettant de maximiser la production de photons de haute énergie sont respectivement de près de 1,0 mm, 1,7 mm, et 2,3 mm pour les électrons de 10 MeV, 15 MeV, et 20 MeV. Parmi ces trois configurations, la cible de 2,3 mm d’épaisseur irradiée par des électrons de 20 MeV est celle qui permet de produire le plus de photons de haute énergie.

La mesure d’interrogation photonique active pourrait ainsi être réalisée en positionnant le fût de 220 L face à une cible fine de tungstène adaptée à l’énergie des électrons délivrés par l’accélérateur. Ce dernier serait ainsi équipé d’un système de porte-cible barillet comportant deux cibles de conversion, chacune d’elles étant optimisées pour la mesure d’interrogation neutronique ou photonique actives. Soulignons qu’un tel système est déjà présent sur certains accélérateurs comme le Saturne 43F (changement de cible en fonction de l’énergie d’irradiation). Afin de diminuer le flux parasite de photoneutrons durant cette mesure, nous proposons de concevoir une cellule dont les parois latérales et le toit pourraient être retiré simultanément à l’aide d’un pont roulant (système de cloche en polyéthylène). Pour des raisons pratiques, la plaque de polyéthylène supportant le fût serait ainsi conservée durant la mesure. Remarquons cependant, qu’en vue du dimensionnement d’une cellule à vocation industrielle, il serait envisageable d’adapter ce dispositif de manière à retirer l’ensemble des faces de la cellule lors du passage en configuration de mesure d’interrogation photonique active, et minimiser ainsi le flux de photoneutrons parasites durant cette mesure.

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