La détection des neutrons rapides à l'aide de chambres d'ionisation remplies d'hexane liquide

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Submitted on 1 Jan 1963

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La détection des neutrons rapides à l’aide de chambres

d’ionisation remplies d’hexane liquide

Daniel Blanc, Jacques Mathieu, Paul Vermande

To cite this version:

LA

DÉTECTION

DES NEUTRONS RAPIDES

A L’AIDE DE CHAMBRES D’IONISATION REMPLIES D’HEXANE

_LIQUIDE

Par MM. DANIEL

_BLANC,

_JACQUES

MATHIEU et PAUL

_VERMANDE,

Centre de

_Physique

_Nucléaire, Faculté des Sciences, Toulouse.

Résumé. 2014

_L’emploi

d’un sachet étanche de

_{polyéthylène rempli}

d’hexane et serré entre les

élec-trodes de la chambre isole le _liquide des _parois et _permet d’obtenir un courant résiduel inférieur à 5 10-14 A/cm2, stable en fonction du _temps. Pour des neutrons de _14,6 MeV et de 3 MeV, produits

par les réactions D-T et D-D, le courant d’ionisation est une fonction linéaire du flux ; 85 _% de ce

courant est attribuable aux _neutrons, 15 _% aux _{photons gamma qui} les _{accompagnent.} La

sensibi-lité est de 100 n cm-2 s-1 _{(3 MeV), 1} 000 n cm-2 s-1 _{(14,6 MeV),} 10 000 _photons cm-2 s-1

(60Co).

Abstract. 2014 The _use of _a

vacuum-tight

polyethylene

bag filled with hexane and inserted between the electrodes of the chamber will _keep the _{liquid away} from the walls and enable to obtain a residual current lower than 5 10-14 _A/cm2, and stable as a function of time. The ionization current is a

linear function of the flux, with neutrons of 14.6 MeV and 3 MeV, produced by D-T and D-D reac-tions ; 85 per cent of this current is attribuable to neutrons and 15 _per cent to gamma photons accompanying them. The

_sensitivity

is 100 n cm-2 s-1 _{(3 MeV),} 1 000 n cm-2 s-1 _{(14.6 MeV),}

10 000

_photons

cm-2 s-1 _(60Co).

PHYSIQUE APPLIQUÉE 24, 1963,

Nous avons donné les

_{caractéristiques}

de

cham-bres d’ionisation

_remplies

d’hexane ou de benzène

liquide,

à la

_{température ambiante,}

sous irradia-tions de _rayons

_alpha

ou de _{rayons gamma}

[1] :

le courant d’ionisation est assez

_grand

vis-à-vis du

bruit de

_fond,

dans les

_{liquides purifiés}

avec

_soin,

pour

permettre

une détection satisfaisante.

Moyen-nant un très

_grand

nombre de

_{précautions,}

il est

même

_possible

de déceler les

_impulsions

_produites

par les

particules alpha.

’

Il est intéressant d’étudier la

_réponse

de tels détecteurs à des faisceaux de neutrons

_{rapides :}

les

protons

de recul créés dans le

_liquide

sont assez

ionisants pour

produire

un courant

_important.

Chambres d’ionisation utilisées. --

On trouvera

sur la

_figure

1 le schéma des chambres : la distance des

_électrodes,

_réglable,

a été maintenue

_égale

à

0,6

cm dans toutes les

_expériences

décrites

_{ici ;}

le

champ électrique

est

_pratiquement

uniforme dans

tout _{le volume utile de la chambre. Il faut que les} courants de fuite à travers _{les passages isolants}

soient très inférieurs au courant

qui

traverse le

liquide,

pour que les mesures

_{électrométriques}

soient valables. Nous avons

adopté

des passages de

téflon,

dont la résistance naturelle est voisine de 1019 03A9. cm à la

_{température ambiante ;}

on sait

que, sous irradiation

_intense,

cette résistivité

_peut

tomber à 1014 Q. cm.

_Enfin,

la valeur maximale

du

_potentiel

de _{l’électrode collectrice par}

_rapport

à la masse est de 1

_{volt ;}

le courant de fuite est alors minimal.

Dans de telles

_conditions,

le courant de

_fuite,

sans

irradiation,

ne

_peut

_pas

dépasser 0,6

X 10-19

_AJcm2,

et,

sous irradiation

_{intense, 0,6 x10-14}

_{A/cm 2.}

Comme nous le verrons

_plus

_loin,

ce courant est

négligeable

devant celui

_qui

traverse le

_liquide.

L’hexane à

_employer

est traité _par

_l’oléum,

séché sur

sodium,

enfin distillé très

soigneusement.

FIG. 1. - Vue _en

coupe

du modèle de chambre d’ionisation utilisé.

32 A

Avant d’introduire le

_liquide

à l’intérieur de la

chambre,

cette dernière est lavée à

_{l’éthanol,}

étuvée à 60

_OC,

_{lavée par de l’hexane}

_purifié,

étuvée

une seconde fois à 60 OC.

Cependant, malgré

toutes ces

_{précautions,}

le

liquide,

qui

se trouve au contact des

_parois

du

.

détecteur,

finit

_toujours

_par se

_{polluer :}

il en résulte

une

_augmentation

_{imprévisible}

du courant

rési-duel. D’autre

_part,

il faut une

quinzaine

d’heures pour que ce courant se stabilise et

_atteigne

sa valeur limite

_{[1]. Enfin,}

il est _presque

_impossible

d’éviter une

_évaporation

_progressive

du

_liquide.

Pour

_pallier

ces

_{inconvénients,}

nous avons intro-duit l’hexane

_purifié

dans un sachet de

polyéthy-lène, qui

était ensuite serré entre les deux élec-trodes de la chambre. Ce

_sachet,

dont

_{l’épaisseur}

de

paroi

est de 30 à 50 microns est _{fermé par}

_{soudure ;}

il est essentiel d’éviter l’introduction de bulles d’air dans le

_liquide.

_Ainsi,

l’hexane ne se souille

plus

au contact des

_parois,

mais il diffuse lentement à

tra-vers le

_{polyéthylène :}

il faut maintenir autour du

sachet,

hors du volume

_sensible,

un _{peu d’hexane}

liquide

qui

maintient une

_atmosphère

_saturante,

ce

_qui

freine très considérablement la diffusion.

Avec ce

_procédé,

le courant résiduel est de 1 à

5 X 10-14

_{A/cm 2;}

_après

branchement de la tension

d’alimentation,

il atteint sa valeur limite au bout

de une heure

_environ,

et demeure

_pratiquement

constant

_pendant

_plusieurs

semaines.

,

Appareils

de mesure. -

Le circuit associé au

détecteur est

_représenté

sur la

figure

2 : pour mesurer le courant d’ionisation et le courant

rési-duel,

nous utilisons un électromètre à condensateur

vibrant,

équipé

de résistances

_égales

à

_108,

101n

et 1012

_{ohms ;}

les résultats sont recueillis sur un

enregistreur graphique

dont la vitesse de

déroule-ment est

de 16 cm _par heure.

’

FIG. 2. -

Dispositif de mesure

du courant d’ionisation et du courant résiduel.

La haute tension alimentant la chambre est

cons-tituée par une batterie de

_piles

sèches

_permettant

d’atteindre 5 000

_volts,

_{par échelons successifs de} 90 volts. La stabilité est excellente.

Les

_{perturbations électriques}

venant de

l’exté-rieur,

et

_{particulièrement}

du

_générateur

de

neu-trons,

sont _{éliminées par} une _cage de

_Faraday

_qui

entoure l’ensemble des

_appareils.

Étalonnage

des chambres sous irradiation

gamma. - Nous avons utilisé le

_rayonnement

gamma

produit

par une source de 6°Co de 8 milli-curies. La

_figure

3 résume les

_{résultats ;}

le

_flux,

porté

en

_abscisses,

est

_exprimé

en nombre de

pho-tons _{gamma par} centimètre carré et _par

_seconde,

au centre du volume

_sensible,

en

_négligeant

l’absorption

dans les

_parois

et la diffusion dans la

protection

de

_plomb

_qui

entoure le détecteur. Les courbes

_{correspondent}

à une tension

_appliquée

de 2 000 volts

_{(courbe (b))}

ou de 4 000 volts

(cour-be

_(a)).

Le courant résiduel est de

_3xl0-14Ajcm2

(courbe (d)) :

les droites

_(a)

et

_(b)

_passent

_presque

par

l’origine.

La droite

_(c)

donne la

_réponse

de la même

cham-bre,

sous 2 000

_volts,

au même flux de rayons gamma, mais avec un

_remplissage

d’air sous la pres-sion

_{atmosphérique :}

on voit l’intérêt

_d’employer

l’hexane,

dont le

_pouvoir

d’arrêt est

_{beaucoup plus}

grand

que celui de l’air.

FIG. 3. -

Étalonnage

des chambres sous l’irradiation des rayons gamma émis par une source de 61CO.

(a) Tension _{appliquée :} 4 000 volts.

(b) Tension appliquéc : 2 000 volts. ,

(c) remplissage d’air ₍₂ 000 _volts).

(d) Courant résiduel.

Réponse à

un faisceau de neutrons de

14,6

Me.V

Les neutrons sont

_produits

par la réaction

D-T,

dans un

_{générateur électrostatique}

où un faisceau

de deutérons tombe sur une cible de tritium absorbé

dans un

_support

de zirconium.

Le

_comptage

des

_particules

_alpha

associées aux

neutrons émis

_permet

d’étalonner avec

_précision

le flux

_neutronique

et _{de comparer directement} à la

réponse

des chambres. Dans la totalité de

_l’angle

solide,

on obtient 2.109 neutrons _par seconde.

de neutrons _{par centimètre carré} et _par

_seconde,

au centre du volume

_{sensible ;}

on le modifie en

faisant varier la tension d’extraction de la source

du

_{générateur,}

ou la distance de la chambre

d’ioni-sation à la cible

_{tritiée. ,}

{

La

_figure

4 donne la

_réponse

_pour une tension

appliquée

de 2 000 volts : le bruit de fond étant de

3 X

_{10-14 A/cm 2,}

(courbe (d)), le

courant d’ionisation

est une fonction linéaire du

flux,

_passant

_par

l’ori-gine (courbe

(a)).

FIG. 4. _{- Réponse} à un faisceau de neutrons de _14,6 MeV

( V = 2 000 _volts).

(a) Courant d’ionisation obtenu.

(b)

Çourant

d’ionisation dû aux neutrons seuls.

(c)

Etalonnage

sous irradiation gamma (6°C.). (d) Courant résiduel.

Cependant,

le courant d’ionisation est

_dû,

non

seulement aux

_protons

de recul

_(et

_{noyaux de}

car-bone)

créés dans le

_liquide,

mais aussi aux

_photons

gamma émis

depuis

la cible de

l’accélérateur,

ou créés dans les matériaux de structure de l’ensemble. Pour déterminer

_{l’importance}

relative de ces deux sources, nous avons mesuré

l’absorption

dans la

paraffine

du faisceau venant de la cible de tritium : la chambre se trouvant dans des conditions

géomé-triques identiques,

nous intercalions entre elle et la cible des

_épaisseurs

croissantes de

_{paraffine :}

la courbe

_(a)

de la

_figure

5 donne le courant d’ionisa-tion mesuré en fonction de

_{l’épaisseur}

de

_paraffine

traversée.

_Si,

en

_{première approximation,}

nous admettons que le coefficient

d’absorption

de la

paraffine

est le même _{pour les divers}

_rayonnements

gamma

qui interviennent,

cette

courbe,

tracée en

ordonnées

_{logarithmiques,}

doit être la somme de

deux droites. Par

_{décomposition}

de

_(a),

nous avons ainsi obtenu la droite

_{(b) correspondant}

à

l’absorp-tion des rayons gamma,

et,

par

différence,

la droite

_(c)

_{correspondant}

à

_{l’absorption}

des

neu-trons. La droite

_(c)

a bien une

_pente

_identique

à

celle que l’on obtient en calculant le coefficient

d’absorption

à

_partir

de la section efficace

macro-scopique

totale des neutrons de

_14,6

MeV dans la

paraffine.

es ordonnées à

_l’origine,

nous

dédui-sons _que 15

% du

courant d’ionisation est dû aux

rayons gamma, et 85

_%

aux neutrons

_(courbe

_(b)

de la

_{figure 4).}

FIG: 5. -

Absorption dans la paraffine du _rayonnement venant de la cible de l’accélérateur.

(a) Courant d’ionisation mesuré.

( b) Contribution des _{rayons gamma.}

(c) Contribution des neutrons.

Réponse

à un faisceau de neutrons de 3 Met.

-Les neutrons sont obtenus _{par la réaction D-D : le}

faisceau de deutérons

₍₁₅₀

_keV)

tombe sur une cible de deutérium absorbé dans un

_support

de zirconium. Les

_protons

venant de la réaction

paral-lèle

_iH(d,

_p)

_permettent

d’étalonner le flux

neutro-FIG. 6. -

Réponse à un faisceau de neutrons de 3 _MeV,

( V = 2 000 _volts).

(a) Courant d’ionisation obtenu.

(b) Courant d’ionisation dû aux neutrons seuls.

34 A

nique.

Pour l’ensemble de

_l’angle

_solide,

on obtient 106 neutrons _{par seconde.}

La

_figure

6 résume les résultats obtenus _pour une tension

d’alimentation,

de 2 000 volts. Comme

pré-cédemment,

en étudiant

l’absorption

du

rayon-nement dans la

_paraffine,

nous avons obtenu que

85

_%

du courant d’ionisation soit dû aux neutrons

(courbe (b)).

Conclusion. - Le

tableau 1

_permet

de comparer la

_réponse

des chambres

_{( V}

= 2 000

volts)

_aux

rayons gamma et aux neutrons

rapides.

Si l’on

TABLEAU 1

admet _{que le} courant d’ionisation minimal détec-table est de 2 à 3 fois le courant

_résiduel,

on obtient les sensibilités suivantes :

neutrons de 3 MeV : 100

_particules

cm-2

_s-1,

neutrons de

_14,6

MeV : 1 000

_particules

cm-2

s-i;

,

rayons gamma de 6°Co : 10 000

particules

cm-2 s- .

Nous remercions vivement M. Francis

_Cambou,

. Maître de

_{conférences,}

avec

_lequel

nous avons eu

de fructueuses

_{conversations,}

ainsi

_que

M.

Benoit-Cattin,

responsable

du fonctionnement du

géné-rateur de neutrons.

Cette étude a _{pu être menée à bien}

_grâce

à un contrat du Commissariat à

_l’Énergie

_Atomique

(S.

C. R. G.

_R.).

Manuscrit reçu le 29

septembre

1962.

BIBLIOGRAPHIE

[1] BLANC _(D.), MATHIEU _(J.) et BOYER _(J.), Nuovo

Cimento, 1961, 19, 929 ; Nuclear Electronics, I, 285 ;