Génération de pollutions par les éléments du TPR-CMOS

Au cours d’une irradiation du TPR-CMOS par un champ neutronique, les neutrons interagissent non seulement avec le convertisseur en polyéthylène mais également avec les matériaux composant les autres éléments du TPR-CMOS, que ce soit dans la diode silicium, dans les cartes PCB ou dans l’enceinte en aluminium qui entoure le télescope. L’étude de la génération des pollutions est ici traitée au travers de deux aspects : la contribution des différentes particules générées dans le TPR-CMOS et qui interagissent dans la diode Si(Li) d’une part et leurs origines d’autre part. La caractérisation de ces sources de pollution est d’une importance capitale en vue de la discrimination des protons de recul vis-à-vis des réactions parasites lors d’une campagne de mesure.

3.3.1 Simulation d’une géométrie réaliste du TPR-CMOS

Afin de déterminer et de quantifier la nature et l’origine des pollutions enregistrées dans le télescope, une simulation MCNPX réaliste incluant tous les éléments du TPR-CMOS a été réalisée. En complément des principaux éléments (capteurs CMOS, diode Si(Li) et convertisseur), les cartes PCB, le boitier, la feuille en aluminium et le support de diode ont été modélisés. La géométrie est récapitulée dans le Tableau 3-3 et peut être visualisée sur la Figure 3-8.

Tableau 3-3 : Epaisseurs des éléments du TPR-CMOS utilisées dans la simulation réaliste du télescope réalisée avec MCNPX

Description Valeur [mm]

Epaisseur des capteurs CMOS 0.05

Epaisseur de la diode Si(Li) 3

Epaisseur de la carte PCB 1.7

Epaisseur du boitier en aluminium 1.2

Epaisseur de la feuille en aluminium 0.5

Figure 3-8 : Visualisation de la géométrie du TPR-CMOS à l’aide du logiciel MORITZ : a) vue extérieur du télescope avec le boitier en aluminium et la fenêtre d’entrée, b) disposition des éléments du TPR-CMOS à l’intérieur de l’enceinte.

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3.3.2 Les différentes réactions parasites

Outre les protons de recul, le signal dans la diode Si(Li) est constitué d’une multitude de bruits parasites provenant de différentes réactions dans le TPR-CMOS. En effet, les neutrons incidents sont susceptibles d’interagir avec les matériaux du télescope pour créer des particules secondaires qui vont contribuer au signal dans la diode. Cette contribution a été étudiée par simulation MCNPX version 2.7 en considérant non seulement le transport des protons mais également le transport des gamma, alpha, électrons et particules chargées. Les contributions des différentes réactions sont présentées sur la Figure 3-9.

Figure 3-9 : Contribution des différentes réactions induites par les neutrons dans le TPR-CMOS au signal mesuré dans la diode. Simulation MCNPX v2.7 avec un champ neutronique de 14 MeV A titre d’exemple, pour un champ neutronique de 14 MeV, en dessous de 2 MeV, le signal dans la diode est dominé par la capture radiative [89] produisant des photoélectrons (85%) et des siliciums de recul produits par collision élastique d’un neutron dans la diode (15%) [90] [91]. Au-delà de 2 MeV, les réactions de transmutation de type et contribuent pour respectivement 63 et 33 % du signal [92]. Au vu de cette étude, il apparaît que seulement 0.2% du spectre mesuré dans la diode est dû à des protons de recul provenant du convertisseur et en coïncidence avec les trois capteurs CMOS. Ils constituent les événements recherchés lors de l’analyse des données expérimentales.

3.3.3 Origine des protons mesurés dans la diode Si(Li)

Le signal mesuré dans la diode dû aux protons est d’origines multiples. Il peut s’agir de protons créés par collisions élastiques des neutrons avec les atomes d’hydrogène contenus dans les cartes PCB, de réactions nucléaires dans la diode silicium ou enfin des protons de recul créés dans le convertisseur. La simulation présentée sur la Figure 3-10 présente l’origine des protons mesurés dans la diode pour un champ neutronique de 14 MeV.

91 Figure 3-10 : Origine de création des protons mesurés dans la diode et créés dans les différents éléments du TPR-CMOS, simulation MCNPX v2.7 avec un champ neutronique de 14 MeV

D’après cette figure, la quasi-totalité des protons mesurés dans la diode est issu de réactions induites par des neutrons directement au sein de celle-ci (77 %). Il s’agit de la réaction nucléaire [93], cette réaction de transmutation est une réaction à seuil à partir de 4 MeV environ. La section efficace de réaction est sensiblement inférieure à la réaction de diffusion élastique , comme le montre la Figure 3-11.

Figure 3-11 : Section efficace réaction Si(n,p) et Si(n,n) d'après la base de données nucléaires ENDF/B-VII

92 Si la section efficace de réaction des neutrons dans le silicium est plus faible que celle dans le polyéthylène, l’épaisseur de la diode Si(Li) implique un nombre d’atomes cibles beaucoup plus important dans le silicium que dans le polyéthylène, d’où cette énorme contribution.

Un effet surprenant est que la seconde source de génération de protons provient de la carte PCB porteuse du capteur CMOS 3 ; en effet, sa forte concentration en hydrogène et sa proximité par rapport à la diode silicium favorise la détection des protons de recul qui y sont créés (11%). En troisième position se situent les protons de recul créés dans le convertisseur ; il s’agit des événements que nous cherchons à détecter (4%). Cependant, tous les protons de recul créés par le convertisseur et détectés dans la diode ne sont pas forcément en coïncidence dans les capteurs CMOS. D’après ce constat, environ 2% des protons détectés dans la diode correspondent à des protons de recul correspondant aux critères de coïncidence. Cette faible proportion justifie un travail de discrimination intense afin d’identifier les événements correspondant à la diffusion d’un neutron sur un atome d’hydrogène du convertisseur.

NB : Puisque la section efficace de réaction Si(n,p) décroît en fonction de l’énergie, pour des champs neutroniques de 7 MeV et moins, les protons de recul détectés dans la diode sont principalement dus à la carte PCB 3 ; vient ensuite la diode silicium et enfin le convertisseur en polyéthylène.