Afin d’accéder à la partie basse énergie du spectre en énergie des neutrons prompts de fission, il faut donc utiliser une cible active.
Celle-ci se compose d’une enceinte de détection contenant l’actinide étudié, sous forme de dépôts. Ceux-ci doivent être suffisamment minces pour que les fragments de fission n’y soient pas absorbés, et donc qu’ils puissent générer un signal hors des dépôts. La quan- tité de matière utilisable s’en retrouve fortement limitée (au plus quelques grammes). Par ailleurs, les matériaux constitutifs de l’enceinte peuvent venir perturber la mesure (diffusion des neutrons incidents sur l’enceinte, distorsion du spectre en énergie des neu- trons de fission, etc.).
Ce type de cible permet de repérer l’instant d’émission des neutrons prompts, ainsi chaque neutron prompt détecté est associé à la fission au cours de laquelle il a été émis (cf. figure B.4). Les neutrons incidents diffusant sur la cible active étant non corrélés en temps avec la fission, ils contribuent au spectre mesuré sous la forme d’un bruit de fond plat qui peut être soustrait. Il est donc possible de mesurer des énergies neutrons sortantes inférieures à l’énergie du neutron incident et d’investiguer la zone de basse énergie (< 1 MeV) avec des moyens de détection adaptés (cf. chapitre III).
Un autre avantage de cette technique est que le temps de vol mesuré est directement celui recherché (i.e. celui des neutrons prompts de fission). Il n’est donc pas nécessaire que l’accélérateur fournisse une référence en temps. Ce dernier, lorsqu’il produit un flux de neutrons monocinétiques, peut donc être utilisé en mode continu (plus intense), ce qui permet de partiellement compenser la réduction de la masse d’actinide.
50 I Technique du temps de vol Scintillateurs Chambre à fission Cible de production Particule (p,d,7Li) n L
Figure B.4 – Technique de mesure des PFNS avec une cible active. Les neutrons pro- duits par l’accélérateur au niveau de la cible de production induisent la fission de l’ac- tinide contenu dans la cible active, ici représentée par une chambre à fission. Le signal résultant déclenche une mesure de temps de vol (∆t) qui est arrêtée par les scintillateurs disposés autour de la chambre.
En revanche, lorsque le flux de neutrons produits n’est pas monocinétique, une réfé- rence en temps (et donc un fonctionnement en mode pulsé) reste nécessaire pour déter- miner l’énergie du neutron ayant induit la fission. Cette technique, appelée « technique du double temps de vol » a été notamment utilisée lors des mesures avec le détecteur FIGARO [25, 26]. Elle permet, lors d’une unique campagne de mesure, de récolter des données pour plusieurs énergies neutron incidentes. Le dispositif utilisé étant le même, ces données sont directement comparables (mêmes erreurs systématiques).
Le principal inconvénient des mesures avec une cible active est que les masses d’acti- nide utilisées sont faibles (de quelques fractions de milligrammes à quelques grammes). Obtenir des mesures ayant une faible incertitude statistique en cible active impose donc des comptages de longue durée à des flux de neutrons incidents élevés.
Les avantages et inconvénients des techniques en cible passive et en cible active sont résumés dans le tableau B.1.
Pour les mesures effectuées au cours de la thèse, nous avons choisi d’utiliser la technique de la cible active. Les chapitres suivants présentent les améliorations apportées à cette cible ainsi que sur la détection des neutrons prompts de fission.
2 - D eu x m ét h od es po u r la m es u re d es P F N S 5 1
TABLEAU B.1 – Techniques de mesures de PFNS : avantages et inconvénients des mesures avec une cible passive et une cible active.
Cible Avantages Inconvénients
Passive
• Échantillons massifs
• Mesures avec une faible incertitude statistique en peu de temps
• Impose d’utiliser l’accélérateur en mode pulsé avec un flux de neutrons monoénergétiques
• Résolution en énergie de la mesure qui dépend de la résolution en temps de la pulsation faisceau
• Possibilité de mesurer uniquement des neutrons prompts ayant une énergie supérieure à celle des neu- trons incidents (problèmes de diffusion)
• Incertitude sur l’énergie du neutron ayant induit la fission (problème de multiple diffusion au sein de la cible).
Active
• Mesures de neutrons prompts ayant une énergie infé- rieure à celle du neutron incident
• Accélérateur en mode continu si le flux de neutrons est monocinétique
• Possibilité d’acquérir des données sur plusieurs éner- gies neutron incidentes en une mesure (neutrons in- cidents non monocinétiques et accélérateur en mode pulsé)
• Possibilité de mettre des actinides de nature diffé- rente dans une même enceinte
• Faibles quantités de matière ⇒ temps de comptage longs et flux importants
• Enceinte de détection de la fission qui vient distordre le spectre mesuré
52 I Technique du temps de vol
En résumé...
• La distribution en énergie des neutrons prompts est mesurée par temps de vol : on mesure une durée de parcours qui est ensuite convertie en énergie. • La mesure peut être réalisée :
– avec une cible passive : seules les énergies de neutrons de fission supé-
rieures à l’énergie du neutron incident sont alors accessibles.
– avec une cible active : il est alors possible de mesurer l’énergie des neu-
trons prompts sur une gamme allant du keV à plusieurs dizaines de MeV. Une bonne précision statistique impose cependant de longs temps de comptage.
Chapitre II
Chambres à fission
Comme nous l’avons vu précédemment, l’énergie des neutrons prompts de fission est mesurée par temps de vol. Celui-ci est mesuré directement entre l’instant d’émission du neutron et sa détection. Pour cela, une cible active, permettant de repérer l’instant de la fission, est nécessaire. Notre choix s’est porté sur un détecteur de type « chambre à fission ». Il s’agit d’une chambre d’ionisation (enceinte remplie de gaz ionisable) conte- nant la source même des événements à détecter. L’enceinte comporte plusieurs plateaux, sur lesquels a été déposé en couche mince l’actinide dont on souhaite étudier la fission. Cette dernière peut être soit spontanée, soit induite par un flux de neutrons. Pour ré- pondre aux besoins de la thèse, précision sur la composante basse énergie du spectre des neutrons prompts et faible distorsion sur l’ensemble du spectre, de nouvelles chambres à fission, optimisées pour les mesures de PFNS, ont été développées.
Dans ce chapitre, nous présentons le principe de fonctionnement de ces chambres, avant de nous intéresser à leur conception. Enfin, nous présentons les résultats de l’étude que j’ai réalisée afin d’évaluer leurs performances.
54 II Chambres à fission
1 Principe de fonctionnement d’une chambre à fis-
sion
Les chambres à fission se composent de plusieurs éléments de type « chambre d’ioni- sation », rassemblés dans une même enceinte. Une particularité supplémentaire est que la source (ici le dépôt d’actinide) est contenue à l’intérieur de l’enceinte de détection.
La figure B.5 en présente une cellule élémentaire. Les paragraphes suivants sont consacrés à la description du principe de détection et des points essentiels de ce schéma.
Figure B.5 – Principe de fonctionnement d’une chambre à fission. Une particule chargée (α ou fragment de fission (FF)), émise par l’actinide déposé sur la cathode, ionise le gaz le long de sa trajectoire. D représente la distance entre l’anode et la cathode et x la distance entre l’anode et le point de création de la paire électron/ion. La charge induite résultante est intégrée au moyen d’un circuit préamplificateur, avant d’être mesurée sous la forme d’une différence de potentiel. (Amp : amplificateur).