Retour d'expérience de la scintillation gazeuse

1 E -2 1 m -2 ) 0 1 2 3 4

Énergie des électrons (eV)

0 100 200 300 400 500 S e c ti o n e ff ic a c e ( m -2 ) 10⁻¹⁸ 10−16

Énergie du proton (keV)

200 400 600 800 1000

20

22 10-21

Figure 1.5  Sections ecaces d'ionisation (trait plein) et d'excitation sommée sur les 42 premiers niveaux (tirets) de l'hélium par impact d'électrons [43] (gauche) et par impact de protons [44] [45] (droite).

zone visible et proche-infrarouge, on obtient alors un capteur passif dont le signal utile n'est plus électrique (transmis par câble), mais optique (transmis par bre optique, puits de lumière ou assemblée). Le spectre ultraviolet, mal transmis dans les bres optiques et absorbé par l'air, n'est pas adapté à la mesure en réacteur.

L'utilisation d'un signal optique plutôt qu'électrique supprime les points suivants : 1. décharge partielle

2. perturbation d'un signal électrique par un champ électromagnétique 3. eet de la charge d'espace sur le signal (sur réacteur de recherche) 4. passage étanche pour l'insertion d'une électrode

5. électronique haute-tension (source de pannes) 6. amplicateur près du réacteur (maintenabilité) 7. conducteur à faible rayon de courbure

L'excitation et l'ionisation du gaz au passage d'un ion lourd projectile ayant lieu, qu'il y ait ou non un courant de polarisation, ce dernier devient inutile si l'on ne souhaite pas collecter les charges électriques.

1.2.2 Retour d'expérience de la scintillation gazeuse

La scintillation d'un gaz rare sous l'eet de radiation, testée dans les années 50 par le CEA de Saclay sur la pile EL2 a fait l'objet d'une thèse [47], de trois notes techniques [48] [49] [50] et de deux publications [51] [52]. À l'époque, la technologie de détection de faible ux de pho-tons reposait sur des tubes photo-multiplicateurs (PMT), aveugles dans la zone spectrale du

proche-infrarouge et des ultra-violets bande C. Un convertisseur de longueur d'onde (composé organique uorescent) était déposé sur la fenêtre du PMT an de rendre détectable les émis-sions ultraviolettes (UVC) entre 126 et 147 nm du xénon excité par les fragments de ssion de l'Uranium 235. Le spectre visible et infrarouge, n'était lui pas utilisé. La très grande réac-tivité de ce système de détection couplée à une résolution énergétique encore jamais atteinte s'étaient pourtant heurtées aux points suivants :

1. nécessité d'un tube parfaitement poli en pile atomique, canal de fuite des neutrons 2. dégazage rapide du convertisseur de longueur d'onde

3. réalisation dans des ampoules de silice transparentes aux UV 4. électronique d'acquisition trop sensible aux rayons gammas

Aucune mention des scintillateur à gaz pour le suivi de puissance des réacteurs n'est observée dans les documents du CEA civil après 1967.

Dans le cadre d'une thèse en physique nucléaire, S. Achek-Youssef à l'IN2P3 reprend la concep-tion et l'utilisaconcep-tion d'un scintillateur à gaz basé sur le xénon [46], permettant d'analyser les fragments de ssion de l'234U produits sur accélérateur Van de Graaf. Finalement, en 1978, l'université Paris-Sud s'intéresse aux laser-nucléaires avec la thèse de D. Auphelle, expérimen-tant le pompage du néon sur l'accélérateur Empereur [53][54]. Des campagnes expérimentales sur le réacteur d'irradiation CALIBAN du CEA militaire auront lieu [55].

Si l'objectif était plus d'obtenir des données fondamentales pour la compréhension des méca-nismes d'excitation par impact d'ions que la réalisation d'une arme stratégique, cette étude de la luminescence du néon permettra l'élaboration d'un modèle physique [56].

Bien que l'utilisation d'un signal lumineux semblait un temps utile à la conduite de pile ato-mique un temps pressentie pour équiper la pile Minerve [47], des obstacles technologiques bloquants à l'époque restèrent insurmontables jusqu'à l'avènement des technologies suivantes :

1. Conducteurs de lumière souples (bre optique)

2. Détecteurs de photons à haute ecacité dans la gamme proche-infrarouge 3. Détecteurs de photons à substrat de silicium robustes et sans haute-tension 4. Électronique d'acquisition à haute fréquence

D'autres groupes de travail exploitant la scintillation gazeuse avec pour objectif la réalisation d'un laser nucléaire de forte puissance dans la bande X35. Des essais dans le domaine visible et proche infrarouge, menés en réacteur de recherche ont produit de nombreux résultats et modèles de pompage du plasma froid excités par ions lourds, ils sont documentés dans le chapitre 3 de cette thèse.

Forts de ces données historiques et de la disponibilité de nouvelles briques technologiques, nous proposons un détecteur de neutron basé sur la scintillation d'un gaz rare excités par ion lourd tel que décrit Fig. 1.6. La tenue aux radiations des bres optiques est apparue comme un point capital pour la viabilité d'un tel projet. Fort heureusement, le CEA a mené une campagne de tests intensive en conditions extrêmes sur les réacteurs OSIRIS, TREATS et ATR dès l'apparition des bres optiques industrielles [57]. La gure 1.7 rapporte l'absorption radio-induite dans les bres optiques à c÷ur de silice et à c÷ur creux en fonction de la longueur d'onde transmise, lors de l'irradiation en champ mixte de réacteur. Toutes les bres achent un vieillissement fonction de la dose déposée. Dans tous les cas, une courte zone spectrale 35. Le projet Excalibur a produit un laser intense en bande X, pompé par une bombe atomique : l'expérience Dauphin du 14 Novembre 1980.

Figure 1.6  Schéma simplié d'une chambre d'ionisation optique. Aucune polarisation n'est nécessaire : les charges ne sont pas collectées. Les photons émis par dé-excitation du gaz tam-pon sont canalisés en partie dans une bre optique. La détection s'eectue avec un compteur de photon unique à substrat silicium, ne nécessitant pas de haute-tension.

Figure 1.7  Courbes d'atténuation radio-induite par irradiation en champ mixte sur des bres multimodes en silice standard (gauche) et sur des bres à corps creux (droite). 3.2E+20 n.cm2 et 3.8E+9 Gy furent déposés en 6, après 22 jours dans le réacteur OSIRIS. De telles uences et doses seraient accumulées par le détecteur après environ 800 ans dans ASTRID à pleine puissance.

comprise entre 850 nm et 1000 nm avec un minimum à 900 nm est visible. Dans cette zone spectrale, le signal lumineux sera peu atténué par la dose cumulée et présente donc le meilleur choix pour une utilisation prospective des chambres d'ionisation optiques avec de bres en silice standard.