Description du détecteur d'antineutrinos Nucifer

Le concept du détecteur d’antineutrinos Nucifer [74], [75] a été développé en s’inspirant des progrès techniques réalisés dans le cadre d’expériences de physique fondamentale telles que Double Chooz [26]. Le principe de détection choisi est le plus éprouvé, la scintillation liquide avec un dopant capturant les neutrons, et le processus de décroissance bêta inverse. Nucifer n’est pas le premier détecteur dédié à la non-prolifération avec ce principe de détection (citons le détecteur SONGS, d’efficacité 16%, construit par le Lawrence Livermore National Lab. et qui a pris des données près de la centrale de San Onofre, Californie [76]), mais sa particularité est d’avoir été conçue pour optimiser l’efficacité de détection en utilisant l’expertise développée dans la collaboration Double Chooz. Ses propriétés sont susceptibles d’intéresser l’Agence Internationale de l’Energie Atomique. La R&D du détecteur est également focalisée pour maximiser la suppression de bruit de fond, très élevé auprès d’un réacteur de recherche et proche de la surface.

Ce dernier point est un véritable défi pour la R&D des futurs détecteurs, car l’objectif serait de les placer en surface de la Terre, où les rayons cosmiques induits (muons et secondaires induits comme les neutrons et surtout en surface une composante hadronique des rayons cosmiques) deviennent importants.

La conception du détecteur a été réalisée en collaboration par le CEA / IRFU / SPP et SPhN [77] de Saclay et le laboratoire CNRS/IN2P3/Subatech. La conception a été optimisée grâce au code GEANT4 [78] dédié à la simulation de la réponse du détecteur pour optimiser le rapport signal sur bruit de fond. Plusieurs mesures de bruit de fond ont été également

réalisées auprès du réacteur Osiris (CEA-Saclay) [73] auxquelles j’ai participé et auprès du réacteur de recherche ILL (Grenoble) [79] où il était envisagé que le détecteur soit installé.

Le principe de détection des antineutrinos est effectué via le processus de décroissance bêta inverse : n e p e + → + + υ 4.1 où le proton cible est le noyau d'un atome d'hydrogène d'un liquide scintillateur. Le positron produit un signal de lumière prompt capturé par les photomultiplicateurs (PMT) couplé optiquement avec la cible liquide.

Les positons vont créer un signal dit « prompt » en perdant son énergie dans la matière puis en s’annihilant avec un électron pour créer deux rayonnements gamma avec l’énergie Eprompt qui est proportionnelle à l’énergie cinétique de l’antineutrino incident plus sa masse au repos: e p n prompt E m m m E e − − + = _υ ( ) 4.2 Le neutron est capturé, en moyenne 30μs après le signal prompt, par un noyau de Gadolinium (Gd) qui dope le liquide scintillant. C’est le temps nécessaire pour que les neutrons soient thermalisés puis capturés. La capture de neutrons sur Gd produit une cascade de rayons γ avec une quantité d’énergie totale d’environ 8 MeV. L’excès de masse dans le processus de décroissance bêta inverse implique un seuil de Mn-Mp + Me = 1,8 MeV pour l'énergie d’un antineutrino [80].

Les deux sources principales de bruit de fond sont les muons cosmiques et des gammas générés par le réacteur, car le détecteur sera placé seulement à quelques mètres du cœur (mettre la valeur). Le premier type de bruit de fond peut donner lieu à un signal corrélé (protons de recul de diffusion des neutrons qui peuvent ‘imiter’ le signal du positon, puis la capture du neutron dans le Gd qui reproduit le signal retardé), tandis que le second type de bruit de fond contribue au signal accidentel (détection des rayons gamma qui ″imitent″ le signal prompt, plus la capture de neutrons accidentels). Le spectre gamma et le flux des neutrons ont été mesurés et simulés pour le réacteur Osiris [81]. L'énergie gamma maximale est d'environ 10 MeV.

Le détecteur est composé d'une cible pour la détection des antineutrinos, un véto à muons actifs [80] pour identifier le bruit de fond en provenance des muons cosmiques et un blindage aux neutrons et aux rayons gamma. Une vision globale de Nucifer est présentée sur la figure 4.1.1, tandis que la cible du détecteur et le module de véto-muons sont présentés séparément sur la figure 4.1.2.

La cible du détecteur d’antineutrinos est un réservoir cylindrique en acier (hauteur 1,8 m et 1,2 m de diamètre) avec une surface intérieure revêtue de peinture blanche en Téflon afin d’être compatible avec le liquide de scintillation et d’augmenter la diffusion de la lumière. Le réservoir est rempli d'environ 0,85 m3 de liquide de scintillation dopé en Gadolinium. Un disque en acrylique de 25 cm d'épaisseur couple optiquement les photomultiplicateurs (PMTs) à la surface du liquide tout en protégeant de la radioactivité intrinsèque des PMTs. L’objectif est d'assurer une réponse plus uniforme dans l'ensemble du volume de la cible. Seize photomultiplicateurs larges (8 pouces de diamètre) qui sont situés en haut de la cuve du détecteur garantissent une collection efficace de la lumière. Ils sont toujours conservés à l’intérieur de l’enceinte dans une atmosphère d'azote pour réduire le risque d'incendie. Un système de LED basé sur l’injection de lumière permet de surveiller le gain du PMT et les

dérives éventuelles des instruments. De plus, des sources radioactives pourraient être déployées au long de l’axe central de la cible à l'intérieur d'un tube vertical.

Deux couches étanches de blindage protègent le détecteur des gammas et des neutrons. A partir de la couche externe, nous pouvons trouver une couche de 10 cm de Plomb et une couche de 14 cm en polyéthylène.

Le détecteur de véto à muons est placé entre le blindage et la cible comme le montre la figure 4.1.1. Ceci est nécessaire afin de protéger le véto du flux de gamma de haute énergie provenant du cœur du réacteur. Le véto entoure 5/6^ième de la cible. Il est basé sur un concept original : 31 modules de détection, contenant chacun un scintillateur de 5 cm d'épaisseur en plastique, possédant une longueur de 150 à 170 cm et une largeur de 25 cm. Le scintillateur est observé par un photomultiplicateur découplé de sa surface. L'épaisseur du scintillateur a été choisie afin de discriminer les muons cosmiques des bruits de fond gamma. La technique utilisée est de placer un seuil en énergie assez haut pour couper un maximum des gammas. En effet, les muons cosmiques sont généralement des particules de haute énergie, de telle sorte que nous pouvons supposer que tous soient ionisés à la valeur minimale d’ionisation. Pour le scintillateur plastique, la valeur minimale d’ionisation dE/dx est d’environ 1,9 MeV.cm^-2. Par conséquent, une des plaques en plastique de 5cm doit voir une énergie moyenne déposée d'environ 10 MeV. Un tel seuil ne peut être appliqué pour éliminer les gammas sous ce seuil. En effet, la valeur de seuil dépend aussi de l'uniformité de collecte de lumière. Le choix d'un PMT par module a été fait pour respecter l'exigence de faible coût du projet donnée par l’AIEA, mais cela pénalise clairement l'uniformité de la réponse de modules à la collecte de la lumière. Afin d'optimiser la géométrie du module et de la position du PMT pour la réponse maximale de l’uniformité et d'étudier les performances du détecteur, le groupe ERDRE a développé un banc de tests et deux simulations basées sur GEANT4 et Litrani [82]. La valeur finale de la non-uniformité mesurée est inférieure à un facteur 2,5. Le seuil de chaque module a été ajusté afin de minimiser la détection des gammas, tout en maximisant l'efficacité de détection de muons, supérieure à 95%. L'étalonnage du seuil d'énergie et de la performance des détecteurs ont été étudiées en effectuant plusieurs mesures sur un prototype de module: la détection du signal des muons, des mesures avec des sources de gamma (gamma-rapide d’Am/Be, ⁶⁰Co) et une campagne de mesures auprès du réacteur Osiris où le détecteur sera placé. Le seuil final en énergie estimé se situe entre 2 MeV et 5 MeV selon la position de l’événement à l'intérieur du scintillateur.

Fig. 4.1.1 : Le plan du détecteur Nucifer avec le blindage et le détecteur véto à muons.

Fig. 4.1.2 : Gauche : Cible du détecteur d’antineutrinos. Droite : Intérieur d’un module du véto à muons.

La dimension globale, comprenant le blindage et le véto, est d'environ 2,8×2,8 m². Un tel volume de cible compacte est très simple et sûre et assurera une efficacité de détection élevée. L'efficacité de détection des antineutrinos est limitée par l'efficacité de détection du positron e⁺ (événement prompt) et de la capture radiative retardée des neutrons dans le Gd générés par la réaction bêta inverse. De la réponse du détecteur simulé, l'efficacité estimée est d’environ 50% lorsque l'on applique un seuil de 2 MeV sur l’énergie de détection des positons et de 4 MeV sur l’énergie de détection des cascades de rayons gamma.