1.2 Le modèle SPY, version de référence
1.2.3 Observables accessibles par SPY
Il est possible de calculer les grandeurs moyennes associées à un fragment A ZX
excepté celles dépendantes du spin.
La majeur partie des données expérimentales dépendent du nombre de pro- tons Z des fragments ou de leur nombre de nucléons A. Les principales grandeurs observables sont : les rendements de fission isotopiques Y(Z)et isobariques Y(A), la distribution en énergie cinétique des fragments KE(A) et le nombre de neu- trons évaporés par les fragments ν(A). L’étude des ces trois observables (Y, KE et ν) permette de sonder les relations entre les propriétés intrinsèques des frag- ments, telles que l’énergie individuelle, et leurs propriétés extrinsèques, telles que la déformation moyenne ou l’énergie de déformation.
Rendements de fission
La probabilité π de l’équation 1.15 n’est pas une observable, seule la probabil- ité P(Z1, N1, Z2, N2) d’une fragmentation, appelée rendement de fission, et notée
Y(Z1, N1, Z2, N2)est mesurable. Cette probabilité, normalisée à 100%, est déduite
de l’équation 1.15 en intégrant sur l’ensemble des répartitions possibles de l’én- ergie disponible et sur l’ensemble des déformations accessibles par les fragments. Dans le modèle SPY, ˜q varie des formes aplaties(˜q = −0.45)jusqu’à des formes allongées(˜q=1.14). De ce fait, le rendement de fission d’une fragmentation vaut :
P(Z1, N1, Z2, N2) = Z 1.14 −0.45 Z 1.14 −0.45 Z 1 0 πdxd ˜q1d˜q2 (1.17)
Les rendements de fission des fragments Y(Z, N)correspondent à la probabil- ité d’obtenir un fragment(Z, N); ils sont normalisés à 200% par convention. D’où Y(Z1, N1) = 2Y(Z1, N1, Z2, N2). Ils peuvent être représentés de quatre manières
différentes. Lorsque la distribution des rendements de fission est en fonction de la masse Afrag/du nombre de protons Zfrag/du nombre de neutrons Nfrag des frag-
ments, les rendements sont dit isobariques/isotopiques/isotoniques (Fig. 1.13). Lorsque la distribution des rendements de fission est en fonction du nombre de protons et de neutrons des fragments, les rendements sont qualifiés d’indépen- dants. Les relations entre les différentes représentations des rendements de fission sont représentés à la figure 1.13. Quelle que soit la représentation, une fission asymétrique se traduit toujours par la présence de deux pics dans la distribu- tion. Les rendements indépendants de la réaction235U(n
th, f)issus du modèle SPY
montrent que seul un nombre restreint de fragmentations est contributif. Cela se traduit par des pics étroit dans les trois autres distributions. Expérimentalement, les rendements isotopiques et isobariques sont les plus couramment mesurés. Les
1.2. Le modèle SPY, version de référence 25
rendement indépendants le sont moins et les rendements isotoniques ne sont pas directement mesurables.
Les ingrédients du modèle que sont l’énergie individuelle des fragments, l’én- ergie coulombienne entre les fragments et la densité d’états des fragments ont tous un impact sur les rendements de fission. Ainsi, la comparaison entre les ren- dements de fission prédit par le modèle SPY et les rendements expérimentaux renseigne sur la pertinence du modèle.
Figure 1.13 – Rendement de fission en fonction de nombre de protons et de neutrons : Y(Z, N)(au
centre), rendement isotopique Y(Z) (à gauche), isotonique Y(N)(en haut) et isobarique Y(A)(en
26 Chapitre 1. Modélisation de la fission avec SPY
Energie cinétique
L’énergie cinétique totale d’une fragmentation, notée TKE(Z, N) pour Total Kinetic Energy, issue du modèle SPY est principalement corrélée à l’interaction coulombienne. Elle correspond à la valeur moyenne de l’énergie coulombienne pour cette fragmentation :
TKE(Z, N) =hEcouli (Z, N) = Z 1.14 −0.45 Z 1.14 −0.45Ecoul (Z, N, ˜q1, ˜q2)P(Z, N, ˜q1, ˜q2)d˜q1d˜q2 (1.18)
L’énergie cinétique d’un fragment, notée KE pour Kinetic Energy, et le TKE d’une fragmentation soient équivalents car reliées par la conservation de l’impul- sion du système :
KE(Z, A) = ACN−A ACN
TKE(Z, A) (1.19)
Seul le KE sera présenté puisqu’il est associé à un fragment et non à une fragmen- tation comme le TKE. L’avantage du KE est que son domaine de variation est plus important que celui du TKE, comme cela est visible à la figure 1.14, permettant de mieux voir des structures fines. Dans le cas de la réaction235U(nth, f), le TKE
calculé varie de 20 MeV alors que le KE varie de 50 MeV. Il est également plus aisé de corréler le KE d’un fragment avec sa déformation moyenne h˜qi (A) ou toute autre propriété spécifique à un fragment.
L’étude comparative entre les KE prédits par le modèle SPY et les KE expéri- mentaux renseigne sur la pertinence du calcul de l’interaction coulombienne.
Figure 1.14 – TKE et KE calculés par SPY en fonction de la masse du fragment pour la réaction
235U(n th, f).
1.2. Le modèle SPY, version de référence 27
Neutrons évaporés
L’énergie d’excitation intrinsèque et de déformation ne sont pas directement mesurables. Seul le nombre de neutrons évaporés par un fragment permet d’avoir des informations sur ces énergies puisque ce nombre est lié à l’énergie d’excita- tion totale du fragment, notée Etot∗ , qui est la somme de l’énergie d’excitation et de déformation du fragment. Afin de faire le lien entre les distributions expérimen- tales du nombre de neutrons évaporés avec l’énergie d’excitation intrinsèque et de déformation des fragments issues du modèle SPY, il est nécessaire de modéliser le mécanisme d’évaporation de neutrons. Seule l’évaporation de neutrons est con- sidérée car bien qu’il y ait compétition entre l’émission de neutrons et l’émission de photons gamma, l’émission de photons gamma est peu probable tant que la somme de l’énergie d’excitation et de l’énergie de déformation du fragment est supérieure à l’énergie de liaison d’un neutron. La modélisation simplifiée de ce mécanisme se base sur des considérations énergétiques : si l’énergie d’excitation totale est supérieure celle de l’énergie de liaison d’un neutron, notée Sn, et de son
énergie cinétique, noté Ecn, alors un neutron sera évaporé. L’énergie cinétique du neutron En
c est tirée aléatoirement selon la loi de proba-
bilité [22] : PT(Ecn) = Ecn T2e −Enc/TdEn c (1.20)
où la température T = p(Etot∗ −Sn)/a est celle du noyau après évaporation avec
a = A/8. L’allure de cette loi de probabilité est donné à la figure 1.15, courbe rouge, avec T = 1 MeV. Cette étape est répétée pour le noyau fils AZ−1X tant qu’il est possible d’évaporer des neutrons.
Le nombre moyen de neutrons évaporé ν(Z, N)par le fragmentAZX est obtenu à partir d’un échantillon de n fragments identiques. Le nombre de neutrons évaporé est calculé pour chaque fragment, où l’énergie cinétique de chaque neutron émis est tiré aléatoirement. Ainsi le nombre moyen de neutrons évaporé ν(Z, N) est la valeur moyenne du nombre de neutrons évaporés par les fragments de l’échantil- lon.
L’échantillon doit être assez important pour s’affranchir de tout biais statis- tique. Pour un échantillon de 1000 fragments, la distribution statistique de l’én- ergie cinétique est en bon accord avec la densité de probabilité. La comparaison entre la loi de probabilité PT(Ecn)(éq. 1.20) et un tirage aléatoire de 1000 énergies
cinétiques différentes, illustré à la figure 1.15, montre que le tirage échantillonne correctement la loi de probabilité. La distribution de neutrons évaporés n’est quasi- ment pas impactée par le passage d’un échantillon de 1000 à 10000 événements : le nombre de neutrons évaporés par un fragment de masse A ne diffère que de ±0.02 neutron dans le cas de la réaction235U(nth, f).
La différence de traitement de l’évaporation de neutrons est illustrée à la fig- ure 1.16. La description simplifiée de l’évaporation de neutrons, courbe bleue sur la figure 1.16, par les fragments en l’absence de traitement de la compétition entre neutrons et photons permet d’obtenir des ν(A)à 0.2-0.3 neutron près par rapport à un traitement de cette compétition, points verts sur la figure 1.16. La partie éva- porative du code Fifrelin [23] a été utilisée afin de traiter cette compétition où les
28 Chapitre 1. Modélisation de la fission avec SPY
rendements et les énergies d’excitation des fragments sont fournis par le modèle SPY. L’erreur sur la valeur de ν(A)est suffisamment petite pour ne pas induire de structure non physique dans la distribution des ν(A).
Figure 1.15 – Tirage monte carlo selon la loi PT(Ecn)(éq. 1.20) avec T=1 MeV pour une taille
d’échantillon n=1000.
Figure 1.16 – Distribution de neutrons évaporés par les fragments issues de la réaction
235U(n
th, f), calculée dans le cadre d’une description simplifiée du mécanisme d’évaporation de
neutron (ligne bleu) sans compétition entre l’évaporation d’un neutron et d’un photon gamma ou en prenant en compte cette compétition grâce au code Fifrelin (ligne verte).