Mesure de la section efficace de fission de 233U entre 1,7 et 57 eV

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Submitted on 1 Jan 1963

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Mesure de la section efficace de fission de 233U entre 1,7 et 57 eV

H. Nifenecker, D. Paya, J. Fagot

To cite this version:

H. Nifenecker, D. Paya, J. Fagot. Mesure de la section efficace de fission de 233U entre 1,7 et 57 eV.

Journal de Physique, 1963, 24 (4), pp.254-258. �10.1051/jphys:01963002404025400�. �jpa-00205460�

254.

MESURE DE LA SECTION EFFICACE DE FISSION DE 233U ENTRE 1,7 ^{ET 57 eV}

Par H.

NIFENECKER,

^D.

PAYA,

^J.

FAGOT,

Département de Recherche Physique,

Section autonome des Mesures Neutroniques Fondamentales, ^{C. E.} N., Saclay

Résumé. ²⁰¹⁴ Un scintillateur gazeux rempli ^{avec du xénon et contenant un} gramme ^d’ura- nium 233 a été utilisé _pour mesurer la section efficace de fission de l’uranium 233 pour des neutrons

d’énergie comprise ^entre 1,7 ^{eV et 57 eV.}

La résolution de la mesure était, ^{dans le meilleur des} cas, de 18 ns/m.

On présente l’appareillage expérimental utilisé ainsi _{que les} courbes de section efficace obtenues.

Abstract. ²⁰¹⁴ A xénon gas scintillation counter has been used with one gram of 233U to measure

the fission cross section of U-233 for neutrons from 1.7 eV to 57 eV.

The best resolution achieved has been 18 ns/m.

The experimental apparatus and cross-section curves obtained are presented.

LE JOURNAL DE PHYSIQUE ^TOME 24, ^AVRIL 1963,

La section efficace de fission de l’uranium 233 entre

1,7

^{eV et 57 eV a} été mesurée par la méthode du temps ^{de vol en} utilisant l’accélérateur de

Saclay

comme source de neutrons

pulsée.

^Nous

décrirons ici le

dispositif expérimental

^{utilisé ainsi}

que les résultats obtenus.

L’analyse

^{de ces résul-}

tats sera ultérieurement

publiée.

I. Dispositif

expérimental.

^{- La mesure a été}

effectuée sur une base de vol de 27,80 ^{m faisant un}

angle

^{de 230 avec la}

perpendiculaire

^à la face de la cible

d’uranium,

^{source de neutrons}

rapides.

^Pour

améliorer la résolution ^en distance on a donc été amené à utiliser un ralentisseur faisant lui-même

un’angle

^{de 2ôo avec cette face}

(fig.

1). ^{Ceci a}

conduit à une perte ^{d’environ un facteur 2 sur le}

flux de neutrons ralentis utilisable.

FIG. 1.

Les mesure de fission ont été effectuées grâce ^à

un scintillateur gazeux. Les ^mesures du spectre ^de

neutrons ont été faites à l’aide d’un banc de comp- teurs au trifluorure de bore enrichi en bore 10 du

type ^{14 NE 31. Les} fonctions de

monitorage

^ont

été assurées par ^{un autre} compteur ^au bore 10 du

type 18 NE 40.

La

figure

²

indique

^la

géométrie

de l’installation.

rIG. 2.

A

l’emplacement

^{du détecteur on}

pouvait

^dis-

poser indifféremment le scintillateur _gazeux ou le banc de compteurs ^au trifluorure de bore.

a) DESCRIP’l’loN DES CHAINES D’ENREGISTRE-

MENT. ^- La

figure

³ représente l’ensemble des deux chaînes

d’enregistrement :

^{« chaîne détec-}

teur ^» et ^« chaîne nxoniteur ».

Dans le cas où l’on utilisait le banc de compteurs

au trifluorure de

bore,

^{au lieu du} scintillateur, ^le

discriminateur

rapide

^était

remplacé

par ^un

ampli-

ficateur de 2

11cfs.

Sur la voie « détecteur » on enregistrait :

le nombre total

d’impulsions

^délivrées

pendant

la

séquence ;

^{le nombre total}

d’impulsions

comptées

pendant

^la séquence ^{dans une} porte de bruit de

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01963002404025400

255

fond (porte 1) ; ^{le taux de} comptage moyen dans la

région

^{d’intérêt du} sélecteur de temps ^de vol ; ^le

taux de comptage moyen dans la porte de bruit de

fond ; ^{le courant} moyen circulant dans les photo-

multiplicateurs

de manière à en contrôler en per-

manence la stabilité.

FIG. 3. ^,

Sur la voie ^« moniteur ^{» on}

enregistrait :

le nombre total

d’impulsions

^délivrées

pendant

la

séquence ;

le nombre total

d’impulsions

^déli-

vrées

pendant

^la

séquence

^{dans la}

région

^{d’intérêt}

du sélecteur de temps ^{de vol}

(porte 4) ;

^{le taux de} comptage ^{en début}

(porte

2) ^{et en fin} (porte 3) ^de

région

d’intérêt ; ^{le taux} de comptage

pendant

^la

région

d’intérêt. Les

dispositifs

d’anticoïncidence

empêchaient

^de compter ^les

impulsions

^{dues à la}

forte bouffée de _{rayon y} accompagnant ^l’arrivée

des électrons sur la cible.

Un

dispositif

de sécurité commandé par le ^taux de comptage ^{de la voie «} détecteur »

permettait

d’arrêter la

manipulation

dans l’éventualité d’une diminution ou d’une

augmentation

^{de ce taux.}

Enfin

signalons

que la commande des discrimi- llateurs

rapides

suivant immédiatement le scintil- lateur

pouvait

^{se faire}

depuis

^{la salle}

d’expérience.

b) ^DÉTECTEUR DE FISSIONS. ^- Le détecteur uti- lisé était un scintillateur _gazeux dont la

description

a été donnée dans de

précédentes publications

[1,

2].

La

figure

⁴ représente ^{une vue} d’ensemble de ce

détecteur.

La

quantité

^totale d’uranium 233 observée par les six

photomultiplicateurs

était de 1 gramme.

Le seul paramètre ^{nouveau dont on a mis}

l’influence en évidence est la pression du gaz (en

l’occurence du xénon) ^dans l’enceinte. Celle-ci est en effet un paramètre ^très

important

^{à cause}

d’une contamination de l’enceinte conduisant à l’observation

d’impulsions

^dues à des rayons ^x

beaucoup plus grandes que la

moyenne,

quand

^la

FIG. 4.

pression

^est élevée : les scintillations

qui

^se pro- duisent

près

^{de la}

photocathode

^des

photomulti- plicateurs

^{sont en} eif et très favorisées par rapport

aux autres. Seule une diminution de la

pression

permet

d’homogénéiser

suffisamment le rende- ment au niveau de l’anode du

photomultiplicateur.

Toutefois,

pour les ^très faibles

pressions

^{la résolu-}

tion en

énergie

^devient trop ^faible.

La

figure

⁵

représente

^les courbes de comptage

intégrales

^{obtenues avec des}

pressions

^de

0,450 kg

et de 1,3

kg.

La

figure

⁶

représente

^{la variation de} l’efficacité du détecteur en fonction de la

pression.

On a pu, de

plus,

remarquer, ^en comparant ^l’évo-

lution dans le temps ^{de la} taille des

impulsions

^~x

les

plus importantes

(celles provenant de scintilla- tions

proches

^{de la}

photocathode

^des

photomulti- plicateurs)

^{et le courant moyen} passant ^{dans les}

photomultiplicateurs

(dû à l’ensemble des

impul-

sions oc), que seul ^ce dernier était affecté par ^une dérive due à l’existence d’une très faible fuite de l’enceinte. Cela

signifie

que des

impuretés

^{telles que}

l’oxygène

^{n’ont pas} d’influence sur le rendement de scintillation proprement dit, ^{mais conduisent}

à une forte

absorption

^{de la} radiation émise.

Le travail en dessous de la

pression atmosphé- rique

n’a été rendu

possible

qu’en ^enduisant

l’enceinte du scintillateur au niveau des

joints

d’indium

(1)

^de grandes dimensions, d’un vernis (1) L’utilisation de joints ^en téflon, d’une mise en 0153uvre

beaucoup plus facile, s’est avérée possible lors d’une expé-

rience plus ^récente.

256

Fic.5.

au

glyptal. Moyennant

^cette

précaution

^{et une}

thermostatisation des

photomultiplicateurs

^{on a}

obtenu une stabilité

parfaite

^{du détecteur}

pendant

un mois.

En maintenant le bruit de fond dû à l’activité oc

du gramme d’uranium 233 ^{à une} valeur de un

coup par

seconde,

^{on a} pu ^mesurer les fissions avec une efficacité d’environ 40

%.

Cette valeur pourra être facilement améliorée et portée à environ 80

%

en

rapprochant

^les

dépôts

^des

photocathodes

^des

photomultiplicateurs.

I I. Mesures effectuées. - La section efficace de fission entre 1,7 ^{et 57 ey est} le résultat de mesures

faites sur deux gammes

d’énergie

^définies ainsi,

compte ^tenu d’un retard de _{5 [-ts} dû aux chaînes

électroniques.

gamme. - Conditions ^de fonctionnement de l’accélérateur :

fréquence :

²⁵⁰

c/s ; largeur

^d’im-

pulsion :

¹ (1.s.

Filtre

neutronique :

^Cadmium.

Région

d’intérêt du sélecteur RCL :

soit

Résolution en nanosecondes par mètre :

36,5 ns/m

--- Conditions de fonctionnement de l’accélérateur :

Fréquence : ⁵⁰⁰

cjs ; largeur d’impulsion : 0,5

fil.

Filtre

neutronique :

^Boral.

Région

d’intérêt du sélecteur RCL :

soit

Résolution ^en nanosecondes par mètre : 18

ns/m.

(~~ ^{MESURES DE FISSION. - La}

précision

^statis-

tique

^{a surtout été} recherchée dans la _gamme

d’énergie

^de 6,8 ^{eV à} 60 eV. On a ainsi

compté

4 000 fissions dans le

pic

^de la résonance à 21,6 ^eV

pendant

^{les 7} séquences ^de

manipulation

^corres-

pondant

^{à un} temps d’accumulation de 110 heures,

Dans la gamme

d’énergie

^de 1,7 ^{eV à}

15,1

^{eV il}

a paru suflisant d’accumuler 1 600 coups dans la résonance à 6,7 ^eV. Ce résultat ^a été obtenu au

bout de 15 heures de fonctionnement.

257

b) ^{MESURES DU BRUIT} DE FOND DE FISSION. ^--

Ce bruit de fond avait, ^en

fait,

^deux

origines :

^d’une part ^{un bruit} de fond dû à l’activité naturelle de l’uranium 233, ^ne

dépendant

^{pas de} l’énergie ^des

neutrons mais pouvant

dépendre

^{de la} séquence considérée ; ^d’autre part ^{un bruit} de fond dû aux

fissions, proprement dites, qui

pouvait,

lui,

dépen-

dre de

l’énergie

^{mais non de la} séquence.

, Nous avons d’abord vérifié à l’aide d’un écran

d’uranium

238 noir dans les résonances, que le bruit de fond de fission

dépendait

^{peu de}

l’énergie

des neutrons.

Il a fallu ensuite déterminer la part ^{relative des}

bruits de fond de radioactivité naturelle et de fis- sion dans chaque séquence. ^{Pour cela on a utilisé}

systématiquement

^{les taux de} comptage que l’on

relevait, ^d’une part ^{dans la}

région d’intérêt,

^d’autre part ^{dans la} porte ^{de bruit de fond.}

Soit M le taux de comptage ^{dans la}

région d’intérêt,

^{N le taux de} comptage ^{total dans la} porte ^{de bruit de fônd et A le bruit de fond de}

radioactivité. On a

en supposant que le bruit de fond dû aux fissions est

proportionnel

^{aux taux de} comptage ^{dû à}

toutes les fissions.

Pour

chaque

^gamme

d’énergie

^le facteur l~ est

indépendant

^{de la}

séquence.

^{On a} pu le déterminer

avec une

précision

^{de 10}

%

^{en mesurant les taux}

de comptage obtenus successivement en la pré-

sence et en l’absence de neutrons, ^{dans un} temps suffisamment court pour que le bruit de fond de radioactivité ne varie _pas.

Ayant

pu ainsi isoler la

part de bruit de fond dû à la radioactivité pour

chaque

^{courbe on en a} déduit le bruit de fond de fission en utilisant l’écran d’uranium 238 cité

plus

haut.

Dans la gamme

d’énergie

^de

6,8

^{eV à 59 eV on a}

trouvé un bruit de fond de radioactivité s’élevant à

12,5 0;0

^{du total} des coups comptés. ^{Le bruit de}

fond fission

rapporté

^aux seules fissions s’élevait

lui,

^à 17,4

%.

^Dans la gamme

d’énergie

^de

1,7

^eV

à

15,1

eV les chiffres ci-dessus valaient

respective-

ment :

3,5 %

^{et 13}

%.

L’erreur relative commise dans la détermination de ces bruits de fond était de l’ordre de 10

%.

C) ^MESURES DU SPECTRE DE NEUTRONS. - La non-déformation du spectre ^{au cours de}

l’expé-

rience a été vérifiée en comparant ^{les taux de} comp-

tage du moniteur de part ^{et d’autre de la}

région

d’intérêt.

Dans l’étude du bruit de fond du spectre ^{de neu-}

trons il a été nécessaire

d’extrapoler

^{les résultats}

obtenus à l’aide d’une feuille épaisse ^{d’uranium 238}

employée

^comme

précédemment

^{à une} valeur nulle de l’épaisseur ^{de cette} feuille, plus épaisse que celle utilisée lors des mesures de fission.

Dans la gamme de 1,7 ^{eV à} 15,1 ^{eV on a trouvé}

un bruit de fond s’élevant à 9

%

^{du taux} de comp- tage. ^{Dans la} gamme de 6,8 e B"" à 59 eB- ce bruit de fond s’élevait à 26

~/o.

Le fait que le bruit de fond soit notablement plus

élevé à haute énergie

qu’à

^basse

énergie s’explique

par la multiplication par deux de la fréquence ^de

répétition

^{dans le} premier cas, ^ce

qui

entrainait en

effet de recouvrement des bouffées

plus important.

Les différences entre les valeurs relatives des bruits de fond dans le cas des mesures de fission et dans celui des mesures de spectre peuvent ^être

attribuées à l’existence d’une structure résonnante dans le

premier

^cas.

En résumé, ^les incertitudes sur la détermination du bruit de fond conduisent essentiellement à une erreur sur la détermination de la section efficace de ^« fission

potentielle »

de l’ordre de 10

%.

III. Résultats obtenus. ^- Les courbes de sec-

tion efficace de fission brutes obtenues sont

repré-

FIG. 7 a.

FIG. 7 b.

sentées

figure

^{7 où}

l’on:a

^{tracé 6r en fonction}

de .~. Pour la normalisation on a utilisé la valeur de 1 150 eV

1/2

trouvée par Reich et Moore

[3]

dans la résonance à 1,79

Le tableau 1

ci-après indique l’énergie

^{des réso-}

nances qu’une

première inspection

^{a pu mettre en} évidence, comparée à celles données par

Harvey [4].

18

258

On verra

qu’il

^{existe un}

décalage systématique

entre les valeurs des

énergies

que nous avons attri- buées et celles

indiquées

par

Harvey.

^Ce

décalage correspond

^{à un}

décalage

^en temps ^{de vol constant.}

Ceci

indique

^que dans l’une des deux mesures une erreur aurait été faite dans la mesure du retard

électronique

^{ou dans celle de l’instant initial} pour

chaque

^bouffée.

TABLEAU 1

Les résonances marquées par deux

astérisques

sont peu visibles et presque

toujours perdues

^dans

le flanc des résonances

marquées

par ^une astéris- que.

La

figure

⁸ représente le nombre de résonances observées

jusqu’à l’énergie

E, ^en fonction de E.

BIBLIOGRAPHIE [1] NIFENECICER (H.), ^MICHAUDON (A.) ^{et FAGOT} (J.), ^Mise

au point d’un scintillateur gazeux de grandes ^dimen-

sions destiné à l’étude ^{de la} section efficace de fission de l’uranium 233 par la méthode du temps ^{de vol.}

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