Chambre d'ionisation à dépôt de carbure de bore (B4C ) pour la mesure des flux de neutrons thermiques

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Chambre d’ionisation à dépôt de carbure de bore (B4C )

pour la mesure des flux de neutrons thermiques

Jacques Labeyrie, Claude Lallemant, Jacky Weill

To cite this version:

32 A.

CHAMBRE D’IONISATION A

DÉPÔT

DE CARBURE DE BORE

_{(B4 C )}

POUR LA MESURE DES FLUX DE NEUTRONS

_THERMIQUES

Par JACQUES

LABEYRIE,

CLAUDE LALLEMANT et JACKY WEILL. Commissariat à

_l’Énergie

_atomique.

Laboratoire du Fort de

Châtillon,

Fontenay-aux-Roses

(Seine).

Sommaire. - Cette

chambre, moins sensible mais _plus aisée _{à construire que les chambres} d’ioni-sation à fluorure de bore, est destinée à mesurer des flux de neutrons _thermiques. L’ensemble de la

chambre _{et du} préamplificateur a été _{conçu pour} le contrôle des _{piles atomiques} et permet de mesurer des flux compris entre I et _{I08 neutrons par} seconde et _{par centimètre carré.}

On décrit la structure et les propriétés de la _chambre, et, en _annexe, la fabrication et les propriétés

des dépôts de carbure de bore B4C. JOURNAL

PHYSIQUE APPLIQUÉE. TOME

_12,

OCTOBRE

_195i,

1.

_Description

de la chambre. 2013 La chambre est essentiellement constituée _{par trois}

_plateaux

d’aluminium de iocm de

_diamètre,

dont chacun

Fig. i. - Vue _en

coupe de la chambre d’ionisation à six _dépôts

et de son _{préamplificateur.}

porte

sur les deux

faces

un

_dépôt

de carbure de bore

lié _{par du silicate de} sodium, . La surface de chacun

de ces

_dépôts

est de

₇₆

±

_o,5

cm2 et leur

_épaisseur

moyenne est

_égale

à 2,7 it

_0,5

_{mg :} cm2. Chacun de ces

_dépôts

absorbe

6

à I o _{pour 100 du flux de} neutrons

_thermiques

_qui

le traverse. Les trois

plateaux,

fixés à une même

tige

d’aluminium cons-tituent l’électrode’ collectrice de la chambre. Cette

électrode est reliée à la

_grille

d’entrée du

préampli-ficateur,

qui

sera décrit

_plus

_{loin. Le passage} isolé du

_support

de l’électrode collectrice à travers la

paroi

de la chambre est _{assuré par} une

_porcelaine

vitrifiée,

servant

_également

de

_support

_mécanique.

.L’électrode haute tension _{est constituée par six}

coupelles

en

aluminium,

montées de telle sorte _que chacun des trois

_{disques porte-dépôt}

est entouré presque

complètement

par deux de ces

_coupelles.

L’électrode

haute-tension est

_supportée

d’une

façon

rigide

par trois

colonnes,

fixées elles-mêmes à la

_paroi

extérieure _{de la chambre par des} porce-laines

_vitrifiées,

_identiques

à celle

_qui

_supporte

l’électrode collectrice. La

_paroi

de la chambre est en acier. Les

_porcelaines

sont fixées d’une

_façon

étanche sur cette

_paroi

_{par de la soudure à} l’étain.

Les dimensions de la chambre sont données sur

la

_{figure i.}

La

_paroi

en forme de cloche de la chambre est soudée à l’étain sur le

_{plateau qui}

porte

les _passages

après

la soudure de ceux-ci.

Une fois

_montée,

la chambre est vidée

et

_remplie

d’air sec à une

_pression

de

₇₆

cm

_Hg.

,

2. Relation entre la tension entre électrodes

et le courant débité. - Avec

une sources de

rayons y, le courant de saturation est atteint à I

pour 100

près

avec une tension inférieure à IO V

(à

1, 5

V,

la saturation est

_déjà

atteinte à I o _{pour 100}

prés).

Avec une source de neutrons

thermiques,

il faut

33 A

une tension

_supérieure

_{à 5o V pour atteindre la}

saturation à i _{pour Ioo}

_près.

Sur la

_figure

2 on a tracé ces deux

_types

extrêmes de courbes de saturation.

Fig. 2. - Variation du courant débité

par la chambre

en fonction de la tension entre électrodes _{(flux faible).}

Fig. 2 bis. - Variation du courant débité

par la chambre en fonction de la tension entre électrodes _{(flux fort).}

3.

Rendement. -

a. Pour les _{rayons y : i} mc de

radium

_{filtré par 1 mm} de cuivre et

_placé

en A

(fige 1) produit

un courant

_qui

est de l’ordre de

1,5 .1 om

A;

.

b. Pour les neutrons

_{thermiques :}

’

Le

rendement

de la chambre a été déterminé en

la

_plaçant

à la sortie d’un canal

_tangentiel

de la

pile

ZOE et en

_comparant

le courant _que donne

alors cette chambre _{à celui que} donne dans les mêmes conditions une chambre d’ionisation

spé-ciale,

à un seul

_dépôt

de B4 C

_{(d’épaisseur égale}

au

double du _{parcours des rayons}

_a)

et à

_paroi

mince

en aluminium. Le rendement de cette chambre

spéciale

a été

déterminé,

_par

ailleurs;

en la

_plaçant

dans un flux de neutrons

thermiques

étalonné au

moyen d’un détecteur au

_manganèse

de faible

épaisseur :

on trouve ainsi _{que i cm2 de}

dépôt

de

_B4C

donne un courant maximum de

_3,1.10-17

A

lorsqu’il

est

_placé

dans un flux de 1 neutron : cm2 : s.

En fin de

_compte,

le rendement de la chambre à six

_dépôts

est _{donné par}

_{l’expression}

F étant le flux de neutrons traversant la chambre

(exprimé

en neutrons par centimètre carré et _par

seconde)

et I étant lé courant débité _par la chambre

(exprimé

en

_ampères).

.Remarque.

- A titre de

comparaison,

une chambre

remplie

de trifluorure de bore

(BF,)

sous une

_pression

de

₇₆

cm

_Hg,

et

_qui

a même volume _{intérieur que} la chambre à

_dépôts

solides,

donne dans les mêmes

conditions un courant

On voit

_qu’à

volume

_égal

les chambres à

_dépôt

/ solide sont environ 20 fois moins sensibles que les chambres

_remplies

de

_BF3.

4. Sensibilité. - La sensibilité de la chambre

est limitée

_{par. la}

résistance de mesure R

_{( fig.}

_5).

Lâ valeur de cette résistance ne

_peut,

en

_pratique,

dépasser

1012 03A9 à cause de l’instabilité et de la

pola-risation

_spontanée

des résistances de valeur

_plus

élevée. .

Le courant le

_plus

faible

_qu’on

_puisse

mesurer

ainsi à l’aide de

_{l’amplificateur}

à courant

con-tinu C. E. A.

standard,

avec une

_précision

de l’ordre

de 5 _pour 1 00@ est Io-14

A,

ce

_{qui correspond}

à un flux minimum d’environ i neutron

thermique

par seconde et _{par centimètre}

_carré..

.

5.

_{Proportionnalité}

du courant débité et du flux de neutrons. - La linéarité de la variation

du courant en fonction de celle du flux de neutrons

a été vérifiée en

_plaçant

la chambre dans un canal

de contrôle de

ZOE;

,

1° à

_{l’emplacement}

dit «

position

reculée »

_(fig.

3);

20 à

_{l’emplacement}

dit «

position

avancée »

( fig. 3

bis)

et en faisant croître la

puissance

de la

pile

entre 10o _W et 5o kW. On voit _{que la} variation du courant reste

_{proportionnelle}

à

la variation du flux

jusqu’à

des flux de 3.108 neutrons : : cm2 : s

_(courant

de 4

03BCA environ)

pour une différence de

_potentiel

6. Effet de la direction du flux de neutrons.

---On constate _que

lorsque

l’axe de la chambre est

parallèle à

la direction

_principale

du flux de

neutrons,

’

Fig. 3. -

Proportionnalité du courant débité par la chambre

au flux de neutrons _{(flux faible).}

Fig.

3,bis.

-

Proportionnalité du courant débité par la

chambre au flux de neutrons _{(flux fort).}

le courant débit _par la chambre est

_plus

_grand

_que

lorsque

l’axe de celle-ci est

_{perpendiculaire}

à la direction du

flux..

Les valeurs

_{correspondantes,}

ainsi _{que les} valeurs intermédiaires sont

_portées

sur la

_figure

_4.

7.

_{Préamplificateur.}

-- La chambre

d’ionisa-tion est suivie

immédiatement

d’un

préamplifica-teur _{relié lui-même par} un

_câble,

dont la

_longueur

peut

atteindre

_plusieurs

dizaines de

_mètres,

à un

amplificateur

à courant continu à contre-réaction

totale

_{(fig. 5).}

L’emploi

d’un tel

_{amplificateur}

a conditionné le

choix des _{passages isolants utilisés} dans la chambre. On

_sait,

en

_effet,

_{que la} contre-réaction totale

consiste à opposer à la tension ee _{que l’on} veut

mesurer la totalité de la tension de sortie de

l’ampli-ficateur. Dans ces

conditions,

A étant le

gain-

de

Fig. 4.

2013 Variation

du courant débité par la chambre en fonction de son _{orientation par rapport} à la direction

prin-cipale du flux de neutrons.

l’amplificateur

sans

_{contre-réaction,}

la tension de sortie est .

Fig. 5. - Schéma du circuit d’entrée de l’amplificateur.

valeur très sensiblement

_égale

à ee car A est

_grand.

Si

le

est le courant fourni _par. la chambre

d’ionisa-tion ;

.

IR

le courant

traversant

-la résistance

R;

Ir

le courant de fuite traversant la résistance r

équivalente

à _{l’ensemble des résistances} para-sites

_(résistance

du

_passage

isolant de la

chambre,

résistance

_{superficielle}

de la

_lampe

électromètre,

etc.),

on a

35 A

Le courant

Ir,

non mesuré par

l’amplificateur,

constitue l’erreur commise sur la .mesure de lc.

On voit _{que dans le} cas du

montage’

à

contre-réaction

représenté

sur la

_figure

6, le courant de fuite est :

Fig. 6. -- Schéma du dispositif d’amplification

à contre-réaction utilisé.

Il

serait

L

_r

dans un

_montage

sans

contre-réaction.

Par

_l’emploi

de la

contre-réaction,

on a donc

divisé par A le courant

I,.,

donc l’erreur

commise

sur la mesure de

le.

_ Le

gain

de

_{l’amplificateur employé}

étant

A=4ooo,

nous _{remarquerons que}

l’emploi

d’une résistance de mesure R

de 1012-Q

nécessite,

pour une mesure de

le

avec une

_précision

meilleure que i _pour ioo, une résistance

_parasite

r

_supérieure

à

1014

03A9,

s’il

n’y

a _{pas de contre-réaction} et seulement à

2,5. 101003A9

dans le

_montage

à

contre-réaction,

ce

_qui

_permet

l’emploi

d’un isolant ordinaire comme la stéatite

pour le passage de l’électrode centrale de la chambre.

Fig. 7. -

Coupe du relais blindé pour la mise à zéro.

Outre la

lampe

électromètre et la résistance R de mesure, le

_{préamplificateur}

contient un relais

_qui

permet

de court-circuiter à distance la résistance R et de réaliser ainsi le « zéro » de

l’amplificateur.

Ce

relais

_{comporte (fig. 7) :}

a. un

_blindage

_magnétique

_empêchant

les fuites

magnétiques

qui perturbent

le fonctionnement de la

_lampe

électromètre;

b. des contacts

_argent

sur

_argent

diminuant considérablement la différence de

_potentiel

de contact.

Ces deux

_dispositions

sont _{nécessaires pour} éviter

tout « _{faux zéro »} de

_{l’amplificateur.}

ANNEXE.

Dépôts

de carbure de bore

_(B4C).

1. Fabrication des

_dépôts

de

_{B4 C.}

- Les

dépôts

solides décrits ci-dessous. sont constitués

par une couche de carbure de bore

_{pulvérulent,}

dispersé

dans un vernis de silicate de sodium.

Le

carbure de bore

_B4C

se trouve dans le commerce

sous forme d’une

_poudre

à

_{petits grains}

(dia-mètre : 3 ± 2

_03BC),

très durs. Ce carbure est très stable et d’une

_pureté

relativement très

_{grande (1).}

D’autre

part,

le

_B4C

est le

_composé

le

_plus

riche en

bore

répondant

aux conditions suivantes :

_absence,

à l’exclusion du

_bore,

d’éléments absorbant fortement

les neutrons;

régularité

de

fabrication;

facilité

d’approvisionnement, d’application

et d’utilisation. La densité est de

2,5 ± o,3

(en

couche

_tassée).

Les

_dépôts

ordinairement

_appliqués

sur des

_disques

d’aluminium

₍₂₎

ont une

_épaisseur

de l’ordre

de 0,01 mm

_(2,5

_{mg :} cm2

_environ).

Voici une

_façon

simple

de les faire :

io

_Mélanger

intimement la

_poudre

de

_B4C

à une

petite quantité

de solution de silicate de sodium à 15 pour 100

_jusqu’à

l’obtention d’une

_suspension

ayant

la consistance d’un lait

_crémeux;

20

_Dégraisser

_{soigneusement}

la

_pièce

sur

_laquelle

doit être effectué le

_dépôt,

et la

_décaper

au

_papier

émeri no

0;

,

30

Étaler

la

_suspension

de

_B4C

à l’aide d’un

pinceau

très

doux,

en

s’efforçant

d’obtenir une couche

unie,

sans trous et

_{d’épaisseur}

aussi _{faible que}

possible;

40

Laisser sécher

_quelques

minutes à l’air

libre;

5p

Étuver

à 2ooO

_pendant

10 h.

Le

_dépôt

ainsi obtenu est résistant au

_frottement,

il a un

_{aspect velouté,}

de teinte

_gris

noir.

On

_peut

aussi

_opérer

_par sédimentation dans une solution de silicate ’de

sodium

à 5 _pour 100. La

_proportion

de

_B4C

_est,

de l’ordre de

_{o,5 g}

pour 100 cm3

de solution.

Le

_séchage

et

_l’étuvage

se font comme il est dit ci-dessus. Ce second

_procédé

fournit des

_dépôts

très

_homogènes,

et

_{d’épaisseur}

bien définie. Il est

_cependant

d’une exécution moins

rapide

que le

premier.

2. Influence de

_{l’épaisseur}

du

_dépôt

de

_B4C

sur le rendement. -

_L’énergie

des

_particules

« et _{des noyaux de lithium issus de la} réaction

_{B (n, a)}

Li est relativement

faible, 1,64 MeV

et

_{o,g3 MeV}

(1) Impuretés du B4C :

Si, Fe, Mg : I o-2 à 10 1; Al, Mn : I o-2; Pb : _{I o-4;} Cu : I o-6 à 10 _{4; Ag, Be, Cd, Co, Ni,} Sn : faibles traces (io-Il à _io-5).

(Échantillon

provenant de Larderello, Florence, Italie.) (2 ) Analyse spectrographique qualitative de l’aluminium

utilisé pour supporter les _dépôts décrits dans cet article :

respectivement.

Ces

_particules

ont _{des parcours} de

3,8

pu et de 1 li- environ dans le

dépôt

de

B 4C

(densités superficielles correspondantes : 1

mg : CM2 et

o,25

mg :

cm2),

et _{des parcours de} l’ordre

_{de 7}

mm et de

1,8 mm,

respectivement,

dans l’air à

_pression

normale. .

Avec le

_prodécé

d’obtention

des

_dépôts

décrits

plus

haut,

il est

_{pratiquement impossible,}

à cause de la taille des

_grains

de

_B4C

de descendre au-dessous

de

_{l’épaisseur}

_{correspondant}

au _{parcours maximum}

des _rayons oc dans le

_dépôt.

Pour des

_{épaisseurs supérieures,}

on observe

expérimentalement, lorsque l’épaisseur

croît,

une lente décroissance du rendement due à

_{l’absorption}

‘des neutrons dans le

_dépôt.

3.

Évolution

du

_dépôt

de

_B4C.

- Des

dépôts

de

_B4C

sur

aluminium,

faits il y a 18 mois et conservées dans

_{l’atmosphère}

normale de la

_{région parisienne}

n’ont pas

changé d’aspect,

ni

_{d’adhérence.}

Cepen-dant,

une évolution du

dépôt (en particulier

du

silicate de sodium servant de

_liant)

était à craindre sous l’influence du bombardement des neutrons et surtout _{des rayons} ce et de lithium

_prenant

nais-sance dans la réaction B

_{(n, 03B1)}

Li. On a donc soumis

des

_plaques

d’aluminium recouvertes du

_dépôt

de

_B4C

à un flux de neutrons très intense en les

plaçant

dans la

_région

centrale de ZOE. La dose

totale reçue a été

de 7.1015

neutrons : cm2 à un

flux _moyen de 3.109 neutrons : cm2 : s. Ce flux

correspond

à la

_production

d’un courant d’ionisa-tion de 0,1 fJ- A : CM2 de

dépôt.

Cette dose de neutrons

est

la dose que recevraient en 3o ans des chambres

d’ionisation de contrôle

situées

à leur

_emplacement

normal dans une

pile atomique

marchant

cons-tamment à une

_puissance

de 2 ooo kW.

Après

cette irradiation massive il n’a été constaté

aucun

_changement

dans

_l’aspect

et l’adhérence du

dépôt.

4. Activité du

_{dépôt après}

irradiation.

-L’activité

_p

et _y à

_longue

_{période prise}

_{par le}

_dépôt

de

_B4C

est’très

_faible;

elle décroît suivant une

_période

de 3 h environ due au

_{manganèse présent}

à l’état

d’impureté

dans le

_B4C

et dans _{l’aluminium}

suppor-tant le

_dépôt.

A cette activité se _superpose une activité de

plus

grande période, peut-être

due

au

_{cuivre,,présent}

également

à l’état

_{d’impureté.}

Ces activité

_parasites

du

_dépôt

ne’ sont _pas

_gênantes,

car elles ne sont

guère plus importantes

que celles

qui

sont

prises

par l’aluminium

constituant

les

_parois

de la chambre

et

_{qui produisent}

un courant d’ionisation

négli-geable

devant celui

_qui

est dû à la réaction B

_{(n, 03B1)}

Li.

Fig. 8. -

Trajectoires

produites dans une émulsion

photo-graphique Ilford C2 _placée contre un _dépôt de B,C

d’épais-seur _supérieure au _{parcours limite,} et _qui a _reçu une dose de _{7,5. 108} neutrons : cm2.

M. Jean-Pierre Grillon a réalisé les différents

dépôts

et chambres décrits dans cet article.