Action des neutrons lents sur l'azote par la méthode de la plaque photographique

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Action des neutrons lents sur l’azote par la méthode de

la plaque photographique

Pierre Cüer

To cite this version:

ACTION DES NEUTRONS LENTS SUR L’AZOTE PAR LA

MÉTHODE

DE LA

_{PLAQUE PHOTOGRAPHIQUE}

Par PIERRE

CÜER.

Sommaire. 2014 La

statistique du calcul des sections de désintégration relative à l’action des neutrons

sur des éléments imprégnés dans les émulsions sensibles concentrées est _précisée. Les _protons de recul,

issus de neutrons non _{complètement} retardés _qui gênent la mesure des traces de _particules de désinté-gration d’éléments à faible section _{efficace, exigent} une _plaque à _{grand pouvoir} discriminateur.

Une émulsion à _grains fins contenant _{Na N3,} est étudiée, par comparaison avec une émulsion au

citrate de lithium. Le calcul du pouvoir d’arrêt de l’émulsion à l’azote pour les faibles énergies est

indiqué. Après longue exposition, derrière 3 o cm de paraffine à une source _{monochromatique D(1 MeV)+D}

il est trouvé _{que le} rapport du nombre de neutrons d’énergie comprise entre _o,5 et _{2,3 MeV,} à celui des

neutrons _thermiques, est 1/13.

La section de transmutation de NSoI est 1,3.10-24 cm2. Le Q de la réaction _{$$N1/7+nl~C16 *+Hl1} est

fixé à _0,6±0,03 MeV, en désaccord avec les mesures des chambres _{d’ionisation,} mais en accord avec les

mesures à la chambre Wilson.

L’action des neutrons sur les éléments

_peut

s’étudier de deux manières

_principales

avec la

plaque :

10 Les

_{particules chargées enregistrées}

dans

l’émul-sion,

sous (t mauvaise ou bonne

_géométrie

», suivant le rendement de la

réaction,

sont émises sous l’action

des neutrons dans des cibles minces.

2° Les réactions sont

_produites

au sein de

l’émul-sion sensible

_imprégnée

d’un sel convenable de l’élément à

étudier.

Alors que la première méthode fournit les _groupes de

_{particules produites,}

la deuxième

_indique,

dans le cas des neutrons

lents,

la somme des _parcours des

_particules

émises dans des directions

_opposées.

Cette dernière méthodes est la

_plus

sensible et se

prête,

en raison de son faible

encombrement,

à

des mesures de

_{comparaison quantitative}

entre les sections de transmutation des divers éléments. Précisons

_quelques

_{caractéristiques}

de son

_emploi.

Étude

_statistique.

-- Le nombre de

trajectoires

dans un volume de

_plaque

donné

_peut

être déter-miné concurremment avec la

_statistique

des _parcours. Un

_champ

_{microscopique,}

_{particulièrement}

conve-niable,

a un diamètre

égal

à dans-

_lequel

il n’est

_guère

_possible

de tolérer

_plus

de 15 à 20

trajec-toires et moins de une _par

_cinq

ou six

_champs,

ce

qui

limite les

_{possibilités}

de

_comparaison.

Si le sel utilisé est bien

_réparti

dans

_{l’émulsion,}

on

_peut

considérer en

_{première approximation,}

que le nombre de

_trajectoires

_par

_champ

est

_régi

par une loi

_statistique

de

Laplace-Gavss,

d’erreur standard û2 = nombre moyen, _n, de

trajectoires

par

champ.

Les

irrégularités d’épaisseur

de l’émul-sion sensible

_(en

_{moyenne de - li}

_{pour: 40}

_f~)

ajoutent

une variance

_symétrique

n’affectant pas

la valetti, de la moyenne. La

_{précision statistique}

sera donc de l’ordre

cle

_V-

nombre de

sera donc de l’ordre =

:B.

(N,

nombre de

champs

considérés).

Si l’on

convient

de faire

_compter

-les

_trajectoires

incomplètes

à la surface de

_{l’émulsion,}

le nombre

de

_trajectoires

_perdues

est

_pratiquement

négli-geable,

"même pour des immersions effectuées

rapi-dement avant

_{exposition; puisque}

la concentration

d’équilibre

du sel dans la

_gélatine

s’établit

géné-ralement dans un

_temps

inférieur à 1 _{mn, par}

pression

osmotique,

pour des émulsions dont

l’épais-seur ne

_dépasse

_pas des

_épaisseurs

_{supé- ’}

rieures à 50

_{l’antagonisme}

des

_pressions

osmo-tiques

et

_{d’expansion}

_empêchent

_pratiquement

la

_{pénétration}

des sels au fond de l’émulsion.

Nous avons

trouvé,

principalement

en

_surface,

certaines

_{irrégularités}

de distribution de

trajec-toires dans les émulsions au nitrure

_{d’azote indiquant}

une

répartition

_peu

_homogène,

variances

_dépassant

quatre

fois à certains

endroits,

la déviation standard. Dans

_{l’interprétation}

de la

_statistique

des

_longueurs

de

_{trajectoires,}

nous devons considérer la

dimi-nution du

_pouvoir

d’arrêt de l’émulsion résultant de l’introduction de

_quantités

connues de sels moins lourds que Br

Ag.

I,e cas de

l’azote,

de section

de

_{désintégration}

bien inférieure à celle du bore et du

_lithium,

_{présente, a}

_priori,

certaines diffi-cultés

_qui

semblent fixer la limite d’utilisation de la

_plaque

dans ce domaine.

Les sources de neutrons

lents, à

notre

_disposition,

comportent

naturellement une certaine

_proportion

de neutrons

_{d’énergie supérieure}

à

_l’énergie

ther-mique.

En effet le _{parcours libre} d’un neutron

thermique

étant environ 15 fois

_plus

_petit

_qu’un

neutron de 2 le nombre de neutrons lents

présents

dans une cavité de

_paraffine,

est direc-tement fonction du nombre de neutrons relati-vement

_rapides

traversant une

_sphère

d’environ

84

3,5 cm,

concentrique

à la cavité

(Fermi).

Ces neutrons fournissent dans l’émulsion un nombre de

_protons

de recul de même ordre de

_grandeur

_que le nombre de

_trajectoires

dues à l’azote.

Afin de différencier les

_protons

de faible

_{énergie [r]}

issus de la

_{désintégration}

de l’azote et munis d’une extrémité fortement ionisante des

_protons

de.

recul, une émnlsion

concentrée,

pen

sensible,

à

grains

fins,

contenant une

_quantité

maximum de Na

N:¡,

compatible

avec les

_{propriétés mécaniques}

de

l’érnul-sion,

a été aimablement

_préparée

_par Mrs Ilford Ltd

(0,23,~ ~

de _{N par centimètre}

_cube).

Le

lithium,

élément, dont la section de transmuta Lion

(70 . I o-? ~

cm’

_[2]

est la

_plus

voisine de celle de l’azote

a été choisi comme terme de

_comparaison

dans une

émulsion

_{géométriquement identique,}

mais

_plus

sensible,

contenant 26 mg de _{Li par centimètre}

_cube,

sous forme de citrate de

Li,

sel choisi en raison de

sa faible

absorption

d’veau

Pouvoir d’arrêt de

l’émulsion.

-- Le calcul

du

_pouvoir

_{d’arrêt d’une émulsion pour} des

parti-cules d’une

_énergie

faible,

comme celle de nos

_petits

protons,

présente

de

_grandes

difficultés. Comme la vitesse de la

_particule

considérée est alors bien inférieure à celle des électrons externes du Br

_Ag,

l’approximation

de Born utilisée dans les calculs

théoriques,

n’est

_plus

valable. Le

_temps

que met la

_particule

dans la traversée du _nuage

_{électronique}

d’un atome ne

_peut

en effet

_plus

être considéré

comme très court _par

_rapport

à la

_période

de révo-lution des électrons. Dans les émulsions

ordinaires,

~

on ne

_{peut déjà plus}

tenir le

_pouvoir

d’arrêt comme

constant _{pour v} C l, ~ . I o3 cm : s. Dans les émulsions

concentrées, l’influence du Br

_Ag

_présent,

en _grosse

quantité, apporte

une variation de l’ordre de

20 _pour 100 _pour o v 1,5.109 cm : s,

théori-quement

mal définie. Il est naturellement incorrect

d’extrapoler

toute valeur de

_pouvoir

d’arrêt dans cette

_région,

d’autant

_plus,

_pour des

_particules

différentes,

malgré

un certain _{usage dans} la

litté-rature

_{(par exemple}

vair

Demers,

Phys.

Rev.,

70,

p.

97(~).

Nous

disposons

dans cette

région

de deux

_{points expérimentaux}

bien définis _{pour les}

émulsions concentrées Ilford _{donnés par les} mesures : u. Des tritons de la réaction :

A _90° des deutons incidents sur la cible mince de

Be;

les tritons ont une

_énergie

de 3,63 MV soit

g,3

cm

d’air;

un _parcours mesuré dans l’émulsion

_{B, égal}

à 5~8 ~..

Des

_protons

de même vitesse auraient un

parcours trois fois moindre soit 3,1 cm d’air et

ig,3

ja. Le

pouvoir

d’arrêt

dépendant

uniquement

de la vitesse est - I6oG,

b. La mesure des

_particules

o: émises par

_[3J

_J

Ro .

nous donne

RO rv 1.610.

En

_comparant

cette

dernière valeur à celle _que nous avons calculée

autre

_part

vers v = _{cm : s} et

qui

est 1.520;

nous

_constatons,

comme il faut nous _y

_attendre,

un écart

_important.

La méthode consiste alors à calculer les valeurs du

_pouvoir

d’arrêt de notre émulsion à

l’azote,

,connaissant

sa formule. Nous confrontons ensuite

quelques points

de la courbe aux valeurs

expéri-mentales tirées de mesures directes

_(~

du _{Po par}

exemple)

et nous admettons _{que le}

_rapport

des

pouvoirs

d’arrêt

_{expérimentaux}

des deux émulsions

considérées,

« concentrée ordinaire » et à « l’azote _»,

est

_identique

à celui des valeurs

calculées,

ce

_qui

est

_pratiquement

exact à i _pour 10o

près,

vers

10’’ cm : s.

L’affinité de Na et N étant faihle et les niveaux

électroniques

des atomes peu

changés

dans le

cristal,

nous considérons comme additifs les

_pouvoirs

d’arrêt différentiels relatifs de Na et N dans Na N3. Comme

Zxa

==- 1 l, le calcul du

pouvoir

d’arrêt de Na doit être

_{confirmée par}

une

_{interpolation}

entre Ne et de S mieux connus. = 1, 3 15 et

I,36~

pour

v cm : s et v = cm : s. Ces valeurs donnent pour v =

1,5.109

cm : s

~~,°

_{== 1720} et

-~

_ ~ 6~0,

ce

_qui

fait

_prévoir

_pour les cc du Po une

diminution du

_pouvoir

d’arrêt d’environ 5 _pour 100

sur celui relatif aux émulsions concentrées ordinaires.

Nous avons déterminé la

_longueur

_{expérimentale}

moyenne des a du Po

égale

à

_{a3 p}

dans notre

émul-sion. Les traces

_ayant

affecté seulement la surface de

F émulsion,

la faible diff érence trouvée entre la diminution

_{expérimentale}

et calculée du

_pouvoir

d’arrêt

_peut

_{s’expliquer}

_par une contraction un _peu

plus importante

des couches

_{superficielles}

de

l’émul-sion à

l’azote;

une

_partie

du nitrure d’azote cristallisé

se dissolvant au cours du _processus de révélation et

_fixage.

La distorsion relativement

_importante,

des traces contenues dans la couche

_supérieure

de

l’émulsion,

_appuie

cette

_suggestion.

A une

_énergie

voisine de

o, 52

MeV _{pour les}

_protons,

le

_rapport

des

_pouvoirs

_{d’arrêt moyens}

R°

_par

rapport

à l’air _pour F émulsion concentrée et _pour celle au nitrure d’azote est ainsi trouvé

égal à

l,o ~5.

Le

_{point expérimental}

du Sm dans les concentrées est situé sur la courbe à v = 109 _{cm : s,}

pour cette

valeur,

le

_pouvoir

d’arrêt relatif à l’air ne

_dépend

encore sensiblement que de la

2013

_moyen

R

dans notre émulsion est donc - 15 2 5 pour 109 cm : s,

ce

_{qui indique,}

à cette

vitesse,

une diminution du

pouvoir

d’arrêt un _peu

supérieure

à 5 pour ioo,

provoquée

par l’introduction d’une

quantité

rela-tivement faible de Na

N3

(0,28

g :

cm:3).

Conditions

_{expérimentales.}

-- Les

plaques

au faisceau de neutrons

_{monocinétiques}

de D ₊

D,

retardés _par 3o cm de

_paraffine,

_épaisseur

choisie

de

façon

à éliminer le

_plus

_possible

de neutrons

rapides susceptibles

de donner des

_protons

de recul dans l’H de la

_gélatine,

tout en conservant une

proportion

de neutrons lents suffisante. Le

_temps

d’exposition

calculé pour donner un nombre maximum de traces

_pouvant

être

_comptées

dans la

_plaque

du

lithium,

était de

_{160 llln,}

avec une

tension de 920 000 BT et une intensité de

_{40 p. A}

sur

la cible.

Le

_{développement}

est un _peu

plus

lent _{que pour}

les

_{plaques C,,}

sa

_régularité

et celle du

_fixage

sont assurées par un

dispositif

à secousses

_(1).

La face sensible des

_plaques

étant

_disposée

en

_regard

du

- fond des cuves

pour

permettre

une évacuation

rapide

du Br

_Ag

et du sel

_incorporé.

Le révélateur et le fixateur sont

_{changés plusieurs}

fois au cours du processus

après rinçage.

Observations. - La discrimination des

petits

protons

de transmutation est

_grandement

facilitée

par la

présence

de

hampes

courtes et riches en

grains

dues à

C,,

dont l’ionisation est intermédiaire entre une fin de

_trajectoire

et et un début de trace de fission. En

outre,

les

_{parties métalliques}

dans

l’exposition

ayant

été réduites au

_minimum,

le «

scattering

»

_provoqué

_{par la}

_paraffine

rend _une

dispersion

angulaire

de ± _{30° autour de la direction}

moyenne des neutrons horizontaux

émis,

très

improbable.

Les

_protons

de recul dans l’émulsion

sont effectivement situés dans une direction

préfé-rentielle.

La faible sensibilité de notre émulsion

_permet

une

_exposition

dix fois

_{plus importante}

sans _{que le}

fond

_provoqué

_par les rayons y ne devienne

_gênant,

alors

_qu’en

160 mn, le voile dans l’émulsion au

-

lithium est

_déjà

considérable.

Importance

des neutrons

_{rapi des présents.}

---Le

_spectre

continu des neutrons non

_{complètement}

ralentis par chocs

multiples

avec les H de la

_paraffine

qui

sont

_susceptibles

de donner des

_protons

de recul mesurables s’étend d’environ de

o,!~

à 2,3 MeV. La section d’inter-action

_{neutron-proton}

due _{à peu}

près

uniquement

aux chocs dans ce

_domaine,

croît à mesure _{que la}

_longueur

d’onde des neutrons incidents se

_rapproche

des dimensions nucléaires.

La

_plus

_grande

_partie

des

_protons

de recul est

comprise

entre

o,5

et 1,5 MeV. En

_prenant

la moyenne des résultats

_{expérimentaux}

trouvés

_[5]

dans ce domaine pour la

_part

_imputable

à

_H,

nous

utilisons une section de transformation

neutrons-protons

moyenne de vit 6. io-21 cm*2, l’erreur

possible

pouvant

atteindre 20 _pour 100.

La section de

_{désintégration}

du Li commun

par les neutrons lents est v’

(1) Aimablement mis au _point par G. P. S. Occhialini.

(7=3 ooo , i o-21 _pour

Li,;,

il vient :

(~1~T,

lN’,

nombre de neutrons

_{d’énergie >}

o,5 MeV et

_thermiques;

n,

n’,

nombre de

trajectoires

corres-pondantes

par

champ;

1~~, NT’,

nombre d’atomes de rI et de _{Li par centimètre}

_cube).

Expérin1entalement :

La méthode

_{renseigne également}

sur le

_spectre

des neutrons _{ralentis par différentes}

_épaisseurs

de

_paraffine

et

_peut

rendre de

_grands

services notamment en

_{radiobologie.}

Section

_effioace

de

_{désintégration}

de l’azote par les neutrons lents. ---~ Valeur

expérimentale

de% -

16,2

(nu,

ns, nombre de

trajectoires

lN

par

champ,

pour les émulsions au Li et à

_N)

D’après

les données

Ilford,

sur la

_composition

des

plaques

vI Li

1 -

52

0-,N

N z,3 .

’) 1 .

des

plaques

₂₃₃

d’où cr

1, .

io’’

Cette

valeur,

probablement

par

défaut,

est cepen-dant un _peu

_supérieure

à a- û io-21 trouvée

par Burcham et Goldbaber

[~7]

et

trouvée _par

_Lapointe

et Rasetti

_[8].

L’élément de

comparaison

pour ces auteurs était le

hore;

tandis que les

premiers

trouvent

1/300,

de la section du _{bore alors peu}

_{déterminée,}

les derniers trouvent

j/5oo,

en choisissant une valeur _moyenne de

= 600. 1 0-2 ~ cm 2. En outre _une

petite

partie

des

_{désintégrations}

de l’azote dans nos

_plaques

provient

de l’action des neutrons non

_thermiques

dont la section de transmutation a été fixée

précé-demment _par E.

_Baldinger

et P. Huber

_[91

à L’effet d’interférence

_joue

certai-nement un rôle assez

_important

dans le milieu dense de l’émulsion sensible

_imprégnée,

mais la correction à

_apporter

_pour retrouver la section de l’azote _gazeux est difficile à

_préciser

dans l’état actuel de notre

_technique,

nous _pouvons

_cependant

supposer que cette valeur est un

_{peu trouvée}

_par

défaut.

Réaction

_produite.

- C’est la seule réaction

expé-rimentalement connue fournissant des

_protons

à

_partir

de neutrons lents. En

effet,

la différence des masses de

et est

_supérieure

à la différence

soit _~~,8

MeV,

et les

_protons

de faible

_énergie

émis ont

86

La réaction est

_{éllergétiquenlellt possible}

mais _pas

encore

observée

en raison de sa très faible

_probabilité

en

_comparaison

de la

_production

des (x.

_Après

quelques

controverses

_[10]

la réaction a été

défi-nitivement établie à

N . 7 "

+ ni

-+ C~ B *

+

Ha

§

+

Q.

Le

Q

de la réaction varie selon les auteurs :

o,55

[il,

0,6?.

0,71

[1 1].

Fi g . 1.

La

_figure

I

_indique

une valeur

probable

de

pour la somme des _parcours de

_protons

et En attribuant à l’émulsion le même

_pouvoir

d’arrêt relatif à

l’air,

à vitesse

_{égale [i2J}

_{pour CI’ que pour} les ce et

_protons,

en

_adoptant

la courbe « _parcours en fonction de la vitesse ~~ _{pour C de Wrenshall}

[ 1 ~],

le _parcours de est environ -

o, ià

jJ.. Le parcours moyen des

protons correspond

à

~,8a

mm, en utilisant

la courbe « _parcours

_énergie

» _de

_I,ivingston

_et

Bethe

_{[ i}

ce

_qui

donne

Q ==

o, 555. - -

o,6 1neV,

Li

valeur voisine de _o,62 déduite des mesures effectuées

à la Chambre de Wilson

_[15].

La

_précision

de

l’éta-lonnage

absolu de nos mesures _{réalisé par}

recou-pement

à l’aide de trois échelles

_{micrométriques}

précises

différentes

_(Leitz,

Cooke,

Zeiss) ,

est

N ~

1 poui luu, celle de la

_statistique

_{pure -> ;; pour} zoo.

Le bon accord de nos valeurs calculées du

pouvoir

d’arrêt avec les mesures

_{expérimentales}

effectuées

par ailleurs sur des émulsions

_identiques

nous

indique

une fluctuation voisine de 2 pour r oo dans

le nombre que nous utilisons _pour la transformation

des _parcours dans l’émulsion en ceux dans l’air.

Compte

tenu de

_{l’approximation}

faite dans le calcul du _parcours de

CI’,

nous _croyons notre

_Q

exact à -!- ₅

pour 100,

soit Q =.=

0,6

± _o,o3 MeV. Des

Q,

respectivement

égaux

à

o,55

et o,7 1,

nécessiteraient,

dans nos mesures, des

_pouvoirs

d’arrêt de i3go et

_1880,

_qu’il

est

_impossible

de

_prendre

en considé-ration.

_{L’étalonnage}

des chambres _{d’ionisation pour}

ces faibles

_énergies

est certainement très

_sujet

à fluctuations.

La netteté et le

_grand

_pouvoir

de discrimination de l’émulsion

_permettent

de

_percevoir,

principa-lement sur des

_plaques

_exposées

sans

_paraffine,,

un

_grand

nombre des _noyaux de

recul, C’?,

NI,

et 01 tJ . Leur vitesse

maximum,

par choc

direct,

est,

pour C l2

frappé

de

plein

fouet,

9-,8. io8 cm : _s,

représentant

un _{parcours d’environ} dans l’air 2 _nim, dans l’émulsion

1,3

,u.. Une

comparaison

quanti-tative avec les reculs du _{lithium n’a pas} été tentée

en raison des sensibilités différentes des émulsions.

En

_plus

de son

emploi pour

ie calcul de

l’ioni-sation de l’air et des

_tissus,

la réaction

_peut

être utilisée pour doser des

_quantités

très

_importantes

de neutrons.

Je suis très reconnaissant à le Docteur Powell des nombreux conseils reçus au cours de ce travail et des facilités matérielles

_qui

m’ont été

généreu-sement

_accordées,

tant _{pour l’obtention des plaques} que pour leur étude.

Je remercie M. D. L.

_Livesey

cl’avoir bien voulu

me faciliter

_{l’exposition}

des

_plaques

au tube à haute tension de i MeV de

Cambridge.

Manuscrit reçu le 5 mars _1947.

BIBLIOGRAPHE.

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[9] Relv. Phys. Acta, 1939, 12, p. 330.

[10] BONNER et _{BRUBAKER, Phys.} Rev., 1936, 49, p. 778

et _{226; 1935, 48, p.} 465.

[11] BARSCHALL, BATTAT, Phys. Rev., 1946, 70, p. 245.

[12]

KNIPP et TELLER _{E., Phys. Rev.; 1941. 59, p. 659.} [13] Phys. Rev., 1940, 57, p. 1095.

[14] Rev. _of Mod. Phys., 1937, 9, p. 268.

[15] Voir _[10] et

_FEATHER

Proc. Roy. Soc., 1932, 136, p. 709.

2014

KURIE, Phys. Rev., 1935, 47, p. 97. 2014