La figure B.12 présente un dessin technique des nouvelles chambres à fission.
Figure B.12 – Dessin technique des nouvelles chambres multi-plateaux. Coupe trans- versale (à gauche) et coupe longitudinale (à droite). L’enceinte en aluminium contient 37 plateaux sur lesquels a été électrodéposé de l’238U, sur un diamètre de 33 mm (35
68 II Chambres à fission Enceinte de détection
L’enceinte de détection se compose d’un parallélépipède (80 × 80 × 220 mm3) en
aluminium d’épaisseur 1,5 mm. Son volume est 18,5% (soit 320 cm3) plus faible que
celui de l’ancienne chambre238U. De plus, des fenêtres en titane, de 100 µm d’épaisseur,
sont fixées sur les brides de la chambre. Elles permettent, lors des études en fission induite, de minimiser la quantité de matière traversée par les neutrons incidents et donc de limiter la probabilité de réactions parasites sur les matériaux du corps de la chambre. Le titane a été choisi afin d’assurer une bonne tenue mécanique des fenêtres.
L’enceinte contient quatre tiges, faites d’un matériau non-hydrogéné, qui servent de support aux plateaux sur lesquels les dépôts d’actinide(s) ont été réalisés. Les plateaux sont montés de manière à conserver des espaces de 5 cm entre le premier/dernier plateau et les brides de la chambre. Ces espaces permettent de minimiser la quantité de matière traversée par les neutrons prompts issus de fissions sur les dépôts les plus proches des brides, et donc de diminuer la distorsion sur le spectre en énergie mesuré.
Taille et distance entre les plateaux comportant les dépôts
Les plateaux sont des disques de titane de 50 µm d’épaisseur. Leur diamètre et leur espacement, une fois montés dans la chambre, définissent la zone de détection du sys- tème. Ces deux paramètres doivent donc être choisis de manière à optimiser la résolution en temps, mais également afin de maximiser le dépôt d’énergie des fragments de fission dans le gaz, tout en minimisant celui des particules α.
En effet, le pouvoir d’ionisation d’une particule dE dx
est proportionnel à Z2. Ainsi, les
α, contrairement aux fragments de fission, perdent l’essentiel de leur énergie dans le pic
de Bragg, en fin de parcours (cf. figure B.13). Minimiser la taille de la zone de détection permet de maximiser la probabilité que ce pic ait lieu en dehors de cette zone et donc la quantité d’énergie déposée par les α. Cela permet d’optimiser la discrimination entre particules α et fragments de fission.
Par ailleurs, la capacitance d’un ensemble anode-cathode est fonction de la surface πR2
et de l’espacement e des plateaux : C = πR2
e . Plus la surface des plateaux sera grande
et leur espacement petit, plus la capacitance sera grande et les signaux lents et bruités.
Le diamètre retenu pour les plateaux est de 59 mm pour un espacement de 2,5 mm. Ce dernier est réalisé en insérant entre chacun des plateaux une rondelle de 2,5 mm, de même matériau que les tiges.
Avec un tel espacement, une particule α de 5 MeV émise avec une incidence orthogonale au dépôt dépose environ 700 keV dans le CF4, avant d’être arrêtée par le plateau suivant.
Un fragment de fission de 100 MeV émis à la même incidence dépose environ 35 MeV. Cette différence en énergie déposée se retrouve sur la charge induite Q, ce qui permet une excellente séparation α-fission.
3 - Développement et étude de la réponse de nouvelles chambres à fission multi-plateaux 69 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Energie déposée [MeV/mm/ion]
Distance [mm] Incidence 0° 2.5 Fragment de fission Particule α 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 4 8 12 16 Pic de Bragg 2.5
Figure B.13 – Pertes d’énergie par ionisation dans 2 cm de CF4 à pression atmosphé-
rique pour une particule α de 5 MeV et pour un fragment de fission d’énergie 100 MeV, calculées avec le logiciel SRIM du CERN [35]. Un α de 5 MeV émis en incidence normale dépose environ 0,28 MeV/mm, soit 700 keV sur une distance de 2,5 mm. Un fragment de fission ayant la même incidence dépose environ 14 MeV/mm, soit 35 MeV.
Taille des dépôts d’actinide
Des effets de bord apparaissent sur le champ électrique −→E sur des distances inférieures
à deux fois la distance inter-plateaux (soit ici 5 mm). Afin que ceux-ci n’affectent pas la collecte de charge, il est important que les dépôts d’actinide, de forme circulaire, aient un diamètre inférieur à 54 mm (soit 5 mm de moins que celui des plateaux).
Par ailleurs, plus les dépôts sont grands par rapport à la taille de la zone de détection, plus les fragments de fission détectés peuvent avoir de trajectoires différentes. En effet, si la taille de la zone de détection était exactement celle du dépôt, les fragments de fission émis au bord de ce dernier ne seraient pas détectés. Plus le nombre de trajectoires possibles est élevé, plus il y de dispersion sur le temps de montée du signal, ce qui dégrade la résolution temporelle du détecteur.
Un diamètre de 33 mm permet de s’affranchir des effets de bord sur le champ électrique et d’obtenir un bon compromis entre quantité de matière déposée et résolution en temps.
Choix du gaz
La résolution en temps de la chambre dépend de la vitesse de dérive des électrons dans le champ −→E.
Vu la figure B.7, nous avons donc choisi d’utiliser du CF4, qui permet, pour un champ
réduit de 1 400 V/cm.bar, d’atteindre une vitesse de dérive de 11 cm/µs. La distance entre les plateaux étant de 2,5 mm, le temps de collecte des électrons est de 23 ns. Par ailleurs, la masse volumique élevée du CF4 (3,59 mg/cm3) par rapport au P30
70 II Chambres à fission (1,15 mg/cm3) par exemple, permet d’avoir un libre parcours plus petit pour une même
pression du gaz dans la chambre. On peut donc travailler à pression atmosphérique mais aussi diminuer l’espacement entre les plateaux, et donc la taille de la zone de détection. Le CF4 présente cependant quelques inconvénients : il s’agit d’un gaz à effet de serre
qui perd rapidement ses excellentes propriétés lorsque pollué. Dans le cas des chambres à fission, cette pollution survient sous la forme de dioxygène (O2), issu du dégazage des
matériaux constitutifs du corps du détecteur. Le dioxygène capture les électrons produits lors de l’ionisation du gaz. Ceux-ci ne participent alors plus à la génération du signal. A titre d’exemple, la figure B.14 présente l’attachement (probabilité de recombinaison) des électrons pour une pollution de 1% de dioxygène : pour 1 cm parcouru dans le gaz, environ 10% des électrons sont perdus (soit 2,5% des électrons dans les 2,5 mm séparant les plateaux, en cas d’incidence orthogonale).
Afin de maintenir les excellentes propriétés de la chambre lors de son utilisation, le CF4 présent dans l’enceinte doit être constamment renouvelé. Un circuit de circulation
gazeuse dédié est donc mis en place et permet de maintenir la chambre en légère sur- pression (20-30 mbar). Le CF4 consommé(7) est filtré en sortie de chambre avant d’être
évacué. 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.22 0.24 0.26 0.28 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Attachement [1/cm] E [V/cm]
Figure B.14 – Attachement dans le CF4 pour une pollution de 1% de dioxygène calculé
avec le logiciel GARFIELD du CERN [31]. Pour un champ réduit de 1 400 V/cm.bar, 2,5% des électrons sont perdus dans les 2,5 mm séparant les plateaux.
3 - Développement et étude de la réponse de nouvelles chambres à fission multi-plateaux 71 Électronique
Le dernier point abordé a été le développement d’une électronique dédiée. Les pré- amplificateurs ont été spécialement conçus de manière à répondre à notre besoin de coupler une excellente résolution temporelle à une mesure précise de l’énergie de la par- ticule chargée incidente (cf. section 2.3).
Ces nouveaux préamplificateurs sont plus rapides que la majorité de ceux disponibles dans le commerce, avec un temps de réponse de l’ordre de 8 ns. Ils possèdent également une sensibilité nettement accrue de 7,3 V/pC (contre 0,5 V/pC auparavant). Ainsi, un fragment de fission de basse énergie (environ 20 MeV), génère un signal de 365 mV d’amplitude (soit 15 fois plus que les préamplificateurs précédemment utilisés lors des mesures de PFNS).
Ces préamplificateurs sont montés par trois sur une carte fixée directement sur le corps de la chambre à fission (cf. figure B.15). Cela permet de réduire la capacitance du système(8)) et donc d’optimiser le rapport signal sur bruit.
Figure B.15 – Photographie des nouveaux préamplificateurs (à droite). Ceux-ci sont connectés sur une carte qui est fixée directement sur le corps de la chambre à fission afin d’optimiser le rapport signal sur bruit (à gauche).