Les photomultiplicateurs utilisés pour le projet SCALP . 63

Les photomultiplicateurs utilisés pour ce projet sont des R2059 de Hamamatsu. Les principales caractéristiques les plus importantes de ces photomultiplicateurs proviennent du constructeur [128], à savoir :

— la coque extérieure cylindrique a un diamètre de 53 mm et une longueur de 170 mm. — la photo-cathode est en matériau bialcalin (SbRbCs).

— la fenêtre d’entrée (entre le milieu gazeux cible et la photo-cathode) est en quartz. — la réponse spectrale est de 160 à 650 nm.

L’efficacité quantique des photomultiplicateurs R2059 d’Hamamatsu est représentée en figure 2.13. Cette efficacité représente le rapport entre le nombre moyen d’électrons émis par la cathode sur le nombre moyen de photons reçus [127] pour un rayonnement monochromatique. Cette efficacité est maximale pour des photons de longueur d’onde 420 nm.

2.3.3 Électronique

Les photomultiplicateurs et les électrodes sont reliés au dispositif FASTER [123] dé-veloppé par le LPC (qui remplace tout le système d’acquisition habituellement utilisé en physique nucléaire). Ce système est relié directement à un ordinateur permettant de récupérer les données en interactif via RHB [124] (ROOT Histogram Builder, également développé par le laboratoire). Les signaux en sortie des photomultiplicateurs sont dirigés vers le dispositif FASTER [129] qui les numérise et les filtre dans une fenêtre de temps définie.

Figure 2.13 – Efficacité quantique des photomultiplicateurs R2059 d’Hamamatsu. L’ef-ficacité quantique est maximale pour des photons de longueur d’onde d’environ 400 nm (alors que le spectre des photons émis par la scintillation du CF₄ est compris entre 160 jusqu’au proche visible).

Ce dispositif met en forme et amplifie les signaux. La valeur de la charge intégrée pour chaque signal est proportionnelle au nombre de photo-électrons provenant de la photo-cathode.

L’électronique utilisé dans ce projet comprend aussi les hautes tensions utilisées pour alimenter les quatre photo-multiplicateurs et la chambre d’ionisation.

2.4 Conclusion du chapitre

Ce chapitre avait pour but d’introduire au lecteur le dispositif expérimental SCALP, en particulier les différents éléments composant le futur détecteur. Ce dispositif est di-mensionné dans le but de quantifier la production de particules α suivant une interaction avec des neutrons.

Une chambre d’ionisation scintillante, remplie d’un mélange gazeux, entourée de quatre photo-multiplicateurs, est utilisée pour permettre d’identifier et de discriminer les réac-tions nucléaires qui auront lieu dans le volume utile.

Un mélange gazeux composé de 97% de CF₄ et 3% de CO₂ est choisi. La faible pro-portion de CO₂ permet d’avoir un nombre non-négligeable d’atomes oxygène cibles, tout en limitant la dégradation des performances attendues du dispositif (réduction de moitié du nombre de photons émis par les molécules de CF₄, augmentation de la résolution tem-porelle).

Mise en œuvre des simulations

L’utilisation de la méthode Monte Carlo est primordiale lorsqu’il s’agit de concevoir des projets de détection complexe tels que le projet SCALP. Cette méthode est à la base des logiciels plus connus comme Geant4, MCNP, MCNPX et TRIPOLI. A l’aide d’une telle technique, il est possible d’étudier le système d’intérêt (la chambre d’ionisa-tion scintillante de SCALP) et de se rapprocher de la réalité. Dans ce chapitre, il sera donné la structure du programme à travers lequel il a été possible de concevoir SCALP. Sa réponse au rayonnement neutronique est étudiée par le programme SICSimulation qui, après avoir généré les événements correspondants aux neutrons interagissant avec les noyaux du mélange gazeux, les filtre en simulant le dispositif expérimental (c’est-à-dire la chambre d’ionisation scintillante) sous un flux de neutrons incidents. Ces simulations sont menées de façon à contrôler qu’il soit possible d’atteindre le but du projet SCALP, c’est-à-dire d’effectuer la mesure de section efficace avec une précision que nous verrons dans le chapitre 4.

3.1 Structure générale du programme de simulation

uti-lisé dans le projet SCALP

Le programme de simulation SICSimulation a été développé par le LPC pour dé-terminer la dimension de la chambre d’ionisation scintillante. Ces simulations sont im-portantes, car il faut trouver un compromis entre la résolution en temps et la quantité de lumière (voir 2.2). Plus l’énergie des neutrons est faible, plus le temps de vol est long et la résolution temporelle meilleure, mais plus la quantité de lumière détectée diminue. Inversement, plus l’énergie neutronique est élevée, plus le temps de vol est très court et la résolution temporelle mauvaise, mais plus la quantité de lumière détectée augmente. Pour des neutrons d’énergie de 10 MeV au maximum, il faut trouver la dimension de la chambre permettant d’avoir une bonne résolution en temps et de détecter une quantité de lumière suffisante pour permettre la discrimination de toutes les réactions.

Sur la figure 3.1 (en page 68), est représenté l’organigramme de la structure générale du programme de simulation utilisé dans le projet SCALP. Ce programme se nomme SICSimulation. C’est un programme écrit en C++ qui utilise Geant4 pour propager les neutrons incidents dans le volume actif déterminé dans la chambre d’ionisation scin-tillante.

Figure3.1 – Organigramme représentant le programme de simulation utilisé avec toutes les options utilisées. A gauche, l’organigramme relatif à l’utilisation du générateur d’événe-ments SCALPGenerator. A droite, l’organigramme relatif à l’utilisation du programme de simulation SICSimulation. Les paramètres en sortie de chaque fichier sont expliqués dans les parties 3.2 et 3.3.

Est également utilisé un générateur d’événements qui va créer des neutrons ayant une énergie cinétique déterminée ou appartenant à une gamme définie. D’autres paramètres sont pris en compte, comme le gaz de simulation ou la réaction étudiée.

SICSimulationutilise pour son lancement différentes options. La première est la ré-action nucléaire à simuler : ce paramètre est choisi à partir du fichier généré par SCALP-Generator (dans lequel a été généré un nombre défini d’événements à différentes éner-gies sur une ou plusieurs réactions nucléaires dans le gaz de simulation). Ensuite la géo-métrie (fichier contenant la description de la chambre d’ionisation) est appelée. Le gaz d’étude et le nombre d’événements sont ensuite précisés pour lancer les simulations.

Un nombre défini d’événements est au préalable généré par le générateur SCALPGe-nerator. Deux types de réactions peuvent être générés :

— Les événements sont générés avec un tirage à plat : dans ce cas une ou plusieurs réactions peuvent être étudiées en ne prenant en compte que la gamme en énergie cinétique des neutrons.

— Les événements sont générés en prenant en compte le flux de neutrons incidents (en l’occurrence provenant de NFS) : dans ce cas les sections efficaces (provenant de la bibliothèque ENDF/B-VII.1) sont prises en compte, de même que la concen-tration moléculaire du gaz étudié (soit du CF₄ pur soit le mélange de CF₄ et de CO₂).

Enfin le nombre d’événements est ensuite précisé pour que le fichier contenant les évé-nements soit créé.

Les organisations du générateur d’événements SCALPGenerator et du programme de simulation SICSimulation sont expliquées dans les parties suivantes (respectivement 3.2 et 3.3).

3.2 Le générateur d’événements SCALPGenerator

SCALPGeneratorgénère un nombre d’événements qui seront ensuite propagés par Geant4 dans le volume actif de la chambre d’ionisation. Il prend en compte la composi-tion du gaz simulé (les isotopes 19

F et 12

C pour du CF₄, 16

O, 17

O, et 18

O en plus pour le mélange de gaz contenant du CF₄ et du CO₂), le flux de neutron utilisé pour les simula-tions et la section efficace des réacsimula-tions générés (suivant les bases de données nucléaires décrites dans la partie 1.2.3).

Pour permettre un gain de temps dans la génération d’événements, chaque neutron subira une interaction (ce qui est faux dans la réalité). Ce biais implique donc que le temps n’est pas pris en compte dans le flux et dans les sections efficaces. Cette information est importante pour l’estimation de la section efficace à partir des simulations (dans la partie 4.2). En effet, la section efficace est estimée en prenant en compte le nombre de particules ayant interagi (en particules.s−1) (voir l’équation 1.10 en page 10).