Étude de la réaction D(d, n)3He à 27,5 MeV par une méthode de temps de vol

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Submitted on 1 Jan 1969

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Étude de la réaction D(d, n)3He à 27,5 MeV par une méthode de temps de vol

M. Chemarin, L. Feuvrais, M. Gouanère, Marie-Claude Lemaire, J.-L. Vidal

To cite this version:

M. Chemarin, L. Feuvrais, M. Gouanère, Marie-Claude Lemaire, J.-L. Vidal. Étude de la réaction D(d, n)3He à 27,5 MeV par une méthode de temps de vol. Journal de Physique, 1969, 30 (1), pp.29-34.

�10.1051/jphys:0196900300102900�. �jpa-00206760�

ÉTUDE

DE LA

RÉACTION D(d, n)3He

^A

^27,5

^MeV

PAR UNE

MÉTHODE

DE TEMPS DE VOL

Par M.

CHEMARIN,

^L.

FEUVRAIS,

^M.

GOUANÈRE,

MARIE-CLAUDE LEMAIRE et

J.-L. ^VIDAL,

Institut de Physique Nucléaire, Université de Lyon (France).

(Reçu

le 5 août

1968.)

Résumé. - La réaction

D (d, n)3He

^a été étudiée à 28 MeV ^au

synchrocyclotron

^{de l’Institut}

de

Physique

^{Nucléaire de} Lyon par ^une méthode de temps ^de vol utilisant ^la

pulsation

^naturelle

du faisceau. La résolution ^en

énergie (3 MeV)

^est suffisante pour

permettre

^la

séparation

^des

neutrons

monoénergétiques

^{du fond continu.}

La distribution

angulaire

^{obtenue a été}

comparée

^{à la} théorie de

stripping

^{de Owen et}

Madansky

^{et a conduit à un} rayon d’interaction de 4,5 ^{fermi. La section} efficace différentielle à 0°,

après

^{calcul de} l’efficacité du détecteur, ^a été estimée à 77 ± 20 mb.

Abstract. ²⁰¹⁴ The

D (d, n)3He

reaction has been studied at 28 MeV with the

synchrocyclotron

of the Institute of Nuclear

Physics

^at Lyon

by

^{a time of}

flight

^method

using

the natural

pulsation

^{of the beam.}

The energy resolution

(3 MeV)

^is

enough

^{to allow the}

séparation

^between

monoenergetic

and

break-up

^{neutrons. The}

angular

distribution is

compared

^{with the}

stripping theory

^of

Owen and

Madansky

^and

gives

^an interaction radius of 4.5 fermi. The differential cross-section at 0°

laboratory angle,

after detection

efficiency

calculations, ^{is estimed} at 77 ± 20 mb.

Introduction. ^- La r6action

D (d, n)3He

^{est fr6-}

quemment

^utilis6e pour

produire

^{des neutrons mono-}

cin6tiques.

^Aux

energies

de deutons

sup6rieures

^à

10

MeV,

^{elle a une} section efficace environ 5 fois

plus importante

que ^la reaction

T(d, n)4He.

^{Pour une}

energie

de deutons de

27,5 MeV,

^{les neutrons mono-}

cin6tiques

^{6mis a 00 ont une}

energie

^de

^28,8

^{MeV et}

sont

s6par6s

^{des neutrons de}

break-up

par ^une

energie

de

7,4

^{MeV. Dans le} but d’utiliser ces neutrons pour etudier la reaction n + ^{d --* n} +

d,

nous avons 6tu- di6 la section efficace differentielle de la reaction

D(d, n)3He

par ^une m6thode de temps ^{de vol.}

La

figure

^{1 montre}

1’energie

^{des neutrons obtenus}

à

partir

de la reaction

D(d, n)3He

^en fonction de

1’angle

d’observation dans le laboratoire _pour ^une

energie

de deutons de

27,5

^{MeV. Sont}

egalement indiqu6s

^le

temps

^{de vol} pour ^une distance de 5 m et

1’energie

maximale des neutrons de

désintégration.

Pour etudier cette

reaction,

^on peut detecter soit le neutron, soit la

particule charg6e

^{3He. La detection}

de celle-ci necessite une m6thode d’identification ^et

ne permet pas de couvrir les

angles

^{avant et arriere de}

la distribution

angulaire

^{a cause de la}

presence

^du

faisceau de

particules

incidentes. La detection des

neutrons permet

d’explorer

^ce

^domaine,

^{mais 1’effica-}

cite 6tant faible la

precision

^{est moins bonne.}

Peu

d’expériences

^ont ete r6alis6es au-dessus de 5 MeV.

Brolley et

^al.

[1]

^ont donne des distributions

angulaires

^{en 3He} pour des deutons de 6 a 14 MeV.

FIG. 1. ^-

Energie

^des neutrons D-D a 27,5 ^MeV et

temps

^{de vol}

correspondant,

pour ^une distance de 5 m.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:0196900300102900

30

Daenick et Fowler

[2],

^a

8,4 MeV,

^et

Goldberg,

Leblanc

[3],

pour des

energies

^{de 5 a 12}

^MeV,

^ont

realise 1’etude en neutrons. En

1963,

^{Van Oers et}

Brockman

[4],

par ^une m6thode d’identification des 3He et des

protons,

^ont 6tudi6 les reactions

D(d, n)3He

et

D(d, p)T

^a

25,3

^MeV.

I.

Dispositif expérimental

^de

temps

^{de vol. - Une}

vue

sch6matique

^de

1’exp6rience

^{est donnee}

figure

^2.

Les neutrons 6mis sont d6tect6s par ^un scintillateur

FIG. 2. ^-

Disposition g6n6rale

^de

1’exp6rience.

liquide

^au bout d’une base de temps ^{de vol}

pouvant

atteindre 6 m. Le d6tecteur

pivote

^{autour du centre}

de la cible de ^- 240 à + ^{50° de}

part

^{et d’autre de} la direction incidente.

Le

dispositif

d’obtention de

temps

^{zero est decrit} ailleurs

[11].

^Le

paquet

616mentaire de deutons d6livr6 par le

synchrocyclotron

^est

represente

^{sur la}

figure

^3.

La

largeur

^a mi-hauteur est de

2,8

^{ns et l’on constate}

la

presence

^a la base du

pic

d’un fond d’une

largeur

de 40 ns

representant

environ 32

%

^des

particules

extraites.

Pour

rep6rer

l’instant d’6mission du neutron

qui

^est

aussi l’instant d’arrivée du

deuton,

^le

_paquet

^616men-

taire de

particules

incidentes est

completement

^absorbé

dans une

plaque

^de

plomb apres

travers6e de la cible.

L’impulsion 6lectrique produite

^{est utilis6e} pour définir le

temps

^{« zero »}

(le

^{courant total} reçu par ^cette feuille sert

egalement

^de

monitorage,

^voir

plus loin).

FIG. 3. ^- Image ^du

pic

616mentaire de deutons.

La cible _gazeuse a une

largeur

utile de 10 _cm, la

pression

d’utilisation est de 3

atmospheres.

^La perte

d’6nergie

des deutons dans les fenetres est de 250 keV

et

l’énergie

moyenne des deutons au centre de la cible

est de

27,5

^MeV.

Le

monitorage

^{est assure de deux}

façons

^distinctes

employees

simultanément :

- Avant d’atteindre la cible _gazeuse, les deutons incidents traversent une mince cible d’or. Un scintil- lateur

plastique

^{associe a un}

photomultiplicateur reçoit

les deutons diffuses a 10°.

- La

plaque

^de

plomb

isol6e du reste absorbe les

paquets

de deutons incidents. Elle est reli6e direc-

tement par cable coaxial a un

int6grateur

^{de courant}

constitue par ^un convertisseur

tension-fréquence

^fonc-

tionnant avec une

impedance

^{d’entr6e a 20 MQ. Les}

essais ont montre que les deux moniteurs etaient ^en accord a moins de 1

%.

L’ensemble

6lectronique

^de

1’exp6rience

^est

repre-

sent6 sur le schema de la

figure

^4.

L’impulsion

^due

a I’arriv6e du

paquet

de deutons sur le

plomb

^{est le}

signal

^{« start » de notre}

dispositif

^{11 est}

envoy6

^à

l’entrée du convertisseur

temps-amplitude.

^{Sur la}

deuxieme

voie,

^{le neutron detecte}

apres

^son temps de vol donne une

impulsion

^{transmise a} la deuxieme entrée du convertisseur : c’est le

signal

^« stop ^».

Pour éviter la saturation a l’ entrée du convertisseur

(les paquets

de deutons arrivent au

rythme

^{de la}

haute

frequence

^{11 MHz sur la voie}

faisceau),

^celui-ci

ne

reçoit d’impulsion

^{« start »}

qu’en presence

^d’une

FIG. 4. ^- Schema du

dispositif 6lectronique.

impulsion

^«

stop »

d6clenchant l’ouverture d’une

porte de 65 ns.

Sur la voie neutron, la detection ^se fait a l’aide de scintillateurs

liquides organiques.

^{Nous avons utilise}

FIG. 5.

Exemple

^de

spectres experimentaux

^{obtenus a 0°.}

un scintillateur NE 211 de diametre 3" et

d’6pais-

seur 4" et un scintillateur NE 218 3" X 2".

L’impul-

sion est transmise _par cable coaxial a un discriminateur

qui

determine le seuil en

energie

^{des neutrons d6tect6s}

(de

^{10 a 15 MeV dans}

1’experience).

II. Rdsultats

expérimentaux.

^{- La}

figure

^{5 donne}

un

spectre

obtenu a 00. L’interaction des deutons avec

le deuterium se traduit _par un

pic

^{de neutrons centre}

autour de

28,8

^{MeV et} par ^un fond continu du aux neutrons issus des reactions

parasites D(d, d)np

^et

D(d, np)np, d’énergie comprise

^{entre 0 et 22 MeV.}

On peut remarquer

qu’il n’y

^a pas

separation complete

^{entre les neutrons}

monocin6tiques

^{et le fond}

continu des neutrons de

désintégration.

^{Cela est du}

d’une part ^a la forme du

paquet

616mentaire de deu-

tons incidents

( fig. 3),

^d’autre

part

^a l’incertitude sur

1’energie

^{du neutron. Par}

exemple,

^a

00,

pour ^une distance de temps ^{de vol de}

5,45

^{m :}

a)

^La

largeur

^{naturelle en}

energie

du faisceau asso-

ciee a la

dispersion

introduite par ^les fenetres et la cible conduit a une resolution

partielle :

b )

^La

largeur

^du paquet 616mentaire de deutons donne :

DE"jE

⁼

7,5 %;

c)

Les fluctuations du

temps

de vol dues a

1’epais-

seur de la cible et du d6tecteur donnent :

soit au total une resolution de

32

FiG. 6.

Distribution

angulaire experimentale D(d, n)3He.

La

figure

^{6 montre la} distribution

angulaire

^obtenue

pour les neutrons de la reaction

D(d, n)3He.

III. Efficacitd de detection et calcul de la section efficace en valeur absolue. ^- L’efficacite de detection de notre d6tecteur a etc 6tudi6e _par ^un calcul

analy- tique.

^{Pour des}

energies

^{de seuil}

sup6rieures

^all

MeV,

utilis6es dans nos

experiences,

^la contribution a 1’effi- cacité des diverses reactions des neutrons sur le carbone

est

n6gligeable.

^{Seules ont ete}

prises

^en consideration les interactions avec

I’hydrog6ne.

Le calcul tient

compte

des corrections d’effet de

bord,

^de

l’anisotropie

dans la diffusion

neutron-proton

et de la double diffusion. Le d6tecteur ^est

cylindrique

de rayon ^{r et} de hauteur h. Sans ces

corrections,

l’efficacité

peut

^s’6crire

[9] :

avec : ng ^: le nombre d’atomes

d’hydrogene par cm3,

n, ^: le nombre d’atomes de carbone par

cm3,

6H(Eo) :

la section efficace totale _{n-p a} 1’6ner-

gie Eo

(lab.) du neutron,

aNE ^: la section efficace totale non

elastique

sur le carbone a

1’6nergie Eo,

B :

1’energie

^{de seuil.}

1. CORRECTIONS. ^- La perte ^relative d’efficacité due aux effets de bords ^a ete calcul6e

d’apres

^Staub

et Rossi

[5]

pour ^une

géométrie cylindrique.

^{La cor-}

rection est faible ^et de l’ordre de 5

%.

Au-dessus de 10

MeV,

la section efficace diff6ren- tielle dans le centre de masse n’est

plus isotrope,

^mais

peut

^{etre mise sous la forme :}

ou T est

l’angle

^de diffusion du neutron dans le centre

de _masse,

dcT (7r/2)

la section efficace differentielle dQ

( I )

a T ⁼

-rcl2.

Le facteur

d’anisotropie

^{C a ete deduit}

des resultats r6unis par Hess

[10].

^Les effets d’aniso-

tropie,

^calcul6s

d’apres [8],

interviennent sous la forme d’une correction de

quelques % :

²

%

par

exemple

pour ^un

rapport BIEO -- 0,4.

Apres

^une double diffusion du neutron

incident, 1’energie

additionn6e des deux protons ^{de recul} peut

d6passer

^{le seuil}

B,

^bien que

chaque

proton ^{ait une}

energie

inferieure a ce seuil. La double diffusion _aug-

mente donc 1’efficacite du compteur.

Rybakov

^et

Sidorov

[8]

^{ont donne un calcul}

approche

^{de ce}

phenomene.

^{Dans notre cas, ces effets sont de 1’ordre}

de 5 %.

2. RESULTATS DES CALCULS. ^- Nous avons calcul6 1’efficacite en fonction du seuil a deux

energies

^d6ter-

min6es

(28,8

^{MeV et}

^24,6 MeV)

^et 1’efficacite _pour differents seuils en

energie.

^Les

figures

^{7 et 8 donnent}

les resultats obtenus dans le cas des scintillateurs 4" NE 211 et 2" NE 218.

On _remarque sur la

figure

⁷

(cas

du scintillateur 4" NE

211)

que pour ^un seuil de 14 MeV l’efficacité

est

identique

^{aux deux}

energies

consid6r6es. De meme

sur la

figure

⁸

(cas

^du scintillateur 2" NE

218),

pour

un seuil de

12,8 MeV,

1’efficacit6 ^est

ind6pendante

^de

1’energie

^{entre 22 et} 30 MeV. 11 existe donc dans

chaque

^{cas un seuil} pour

lequel

^il

n’y

^a

plus

^{de correc-}

tion d’efficacite pour ^une variation

angulaire

^im-

portante.

3. SECTION EFFICACE ABSOLUE. ^- Le calcul de 1’effi- cacité du d6tecteur

permet

d’obtenir la section efficace absolue a

partir

^{des mesures}

expérimentales

^{du taux}

de comptage, de l’intensit6 du courant des deutons

incidents,

du nombre de _noyaux cibles et de

1’angle

solide.

FIG. 7. ^- Variation de l’efficacité en fonction du seuil pour ^un scintillateur NE 211 4".

Les resultats

obtenus,

^a

partir

d’une dizaine de

mesures

ind6pendantes

pour la section efficace diffé- rentielle a 0° dans le

laboratoire,

^{nous ont donne une}

valeur _moyenne de 77 mb. La variance

exp6rimentale

relative est de 27

%.

^{Nous avons}

egalement

^estim6

FIG. 8. ^- Variation de l’efficacité en fonction du seuil pour ^un scintillateur NF, 218 2".

la section efficace differentielle a 0° en normalisant

notre distribution

angulaire

^avec celle obtenue _par Van Oers et al.

[4]

^a

25,3

^MeV.

La

correspondance angulaire

^{est alors}

critique

^et

l’incertitude relative est de l’ordre de 30

%.

^{La valeur}

ainsi obtenue est de 70 mb en accord avec le calcul

precedent.

Une

compilation

des divers resultats obtenus _pour la section efficace differentielle a 0° se trouve sur la

figure

^9.

IV.

Interprdtation théorique.

^{- La} theorie de

stripping d’6change

^{de Owen et}

Madansky [7]

^{a 6t6}

FIG. 9. ^- Section efficace diff6rentielle a Qo de la reaction

D(d, n)3He :

D : Preston, ^{Shaw et} Young,

A : Smith et Perry,

o : Wilson,

ú :

Goldberg

^{et Le} Blanc,

o : Cochran, Smith et Henkel,

-Ft-I: : Daenick et Fowler,

8 : ^{Notre resultat}

experimental.

34

appliqu6e

par Van Oers

[4]

^a la reaction

D(d, n)3He

pour des deutons de

25,3

^{MeV et a conduit a un}

rayon d’interaction de

4,5

^F.

Nos resultats

experimentaux completent

^{ceux de}

Van Oers en etendant la distribution

angulaire jus- qu’a

^{0°. La meme theorie nous a conduits a un} rayon d’interaction de

4,22 :::f::: 0,02

^{F. La}

precision

^de

0,02

donnee reflete la sensibilite de

l’ajustage

^a

l’avant,

^aux

changements

^du rayon de coupure

Ro.

^{Sur la}

figure 10,

on a

represente

^les

points experimentaux

^{dans le} sys- t6me du centre de masse et les courbes

th6oriques

W G. 10. ^- Meilleur accord de la theorie de

stripping d’6change

^{avec la} distribution

angulaire experimentale

obtenue. La normalisation ^a ete faite a 24 o sur la courbe

experimentale.

obtenues _pour divers _rayons d’interaction. La valeur obtenue _pour celui-ci est en accord avec la d6crois-

sance observ6e a

1’6gard

^de

1’energie (fig. 11). ho

^{est de}

l’ordre du _rayon conventionnel du

deuton,

^c’est-à-

dire

4,3

^F.

FIG. 11. ^- Variation du

parametre

Ro ^avec

1’energie.

Remerciements. ^- Nous remercions M. le Profes-

seur A.

Sarazin,

^{directeur de} l’Institut de

Physique

Nucl6aire de

Lyon,

pour ^son soutien constant. Nous

sommes reconnaissants a M. le Professeur

J. Depraz

pour l’int6r6t

qu’il

^{nous a}

porte.

^La realisation de 1’ex-

p6rience

^{n’a 6t6}

possible qu’avec

l’aide de M. G. Ha-

dinger

^{et de son}

6quipe

pour la bonne marche du

synchrocyclotron.

^{Nous leur}

exprimons

^ici toute notre

gratitude.

BIBLIOGRAPHIE

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