Détecteur rapide pour neutrons intermédiaires (1 à 100 keV). Utilisation en spectrométrie par temps de vol

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Détecteur rapide pour neutrons intermédiaires (1 à 100

keV). Utilisation en spectrométrie par temps de vol

A. Perrin

To cite this version:

170 A

signal anodique

d’un

_{photomultiplicateur}

_éclairé,

soit par une

_impulsion

lumineuse très

_brève,

soit par un scintillateur dont les constantes de

_temps

sont du domaine de la nanoseconde. Nous utilisons actuellement ce

_montage

_pour l’étude des scintil-lateurs

_liquides

et

_plastiques.

’

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DÉTECTEUR

RAPIDE POUR NEUTRONS

INTERMÉDIAIRES

_{(1 A}

100

_keV)

UTILISATION EN

SPECTROMÉTRIE

PAR TEMPS DE VOL

Par A.

_PERRIN,

C. E. A.

Résumé. 2014 Deux

détecteurs, l’un au 10B, l’autre au _Li, sont étudiés du double _point de vue

de l’efficacité pour des neutrons de 1 à 100 keV et du temps de _{réponse. L’efficacité,} de 6 _{% pour} des neutrons thermiques, varie en fonction de l’énergie suivant une courbe qui est donnée. L’utili-sation de ces détecteurs dans un _{spectromètre} à _temps de vol _{permet d’obtenir,} pour les neutrons

de la réaction _{T(p, n)3He} une résolution en _temps de 8 ns.

Abstract. 2014 10B

and Li detectors are studied in order to determine their efficiency for 1 to 100 keV neutron _energies, and their response time.

We _give curves that show the variation of the _{efficiency (6 %} for thermal _neutrons) as a function

of neutron energy. The use of these detectors in a " time of flight " spectrometer allows a

resol-ving time of 8 ns for neutrons from the

_T(p,

_n)3He reaction to be obtained.

L’extension de la méthode du

_temps

de vol à des

neutrons

_{d’énergie comprise}

entre 1 keV et 100 keV

requiert

l’emploi

d’un détecteur alliant une effi-cacité

_acceptable

à ces

énergies,

à un court

_temps

de

_réponse.

Les détecteurs

_susceptibles

d’être utilisés font nécessairement intervenir une réaction nucléaire.

Parmi ceux _que nous avons

_étudiés,

deux nous

ont semblé

_{particulièrement}

intéressants. Le pre-mier met en oeuvre la réaction :

Il consiste en un

cylindre

de 1°B contenu dans

une boîte en aluminium à

parois minces, plaquée

contre un cristal de NaI activé au Tl

_qui

détecte le

y de 478 keV émis lors de la désexcitation du 7 Li*.

L’efficacité de ce détecteur pour des neutrons

de 1 keV est de l’ordre de 6

_%.

Elle varie en

fonc-tion de

_l’énergie

des neutrons comme

_l’indique

la

courbe de la

_{figure 1,}

calculée en tenant

_compte

de

l’absorption exponentielle

dans le

_cylindre

de "B. Le 1°B est _opaque aux neutrons de faible

_énergie,

FIG. 1. - Détecteur lOB + NaI.

mais cesse de l’être pour ceux

_{d’énergie plus}

éle-vée

(à

partir

de 1

_keV).

L’efficacité varie

_cependant

de

_façon

suffi-samment monotone _{pour que} ce détecteur

_puisse

être utilisé de

_façon

satisfaisante à des mesures

171 A

relatives de

_flux,

en

_particulier

à des mesures de

transmission. La sensibilité pour des neutrons de

très faible

_énergie

_permet

de définir avec

précision

le seuil des réactions

_{endoénergétiques (fig. 2),}

ce

qui

fournit des

_{points’précis}

_sur la courbe

d’étalon-nage de l’accélérateur utilisé.

FIG. 2. - 0°. Seuil de la réaction

T(p,

La distribution en

amplitude

des

impulsions

correspondant

à la détection de neutrons

_produits

à

l’aide d’un Van de Graaff

_parla

réaction

_{T(p, n)3He}

( fig. 3)

montre un

pic

à 478 keV

qui présente

une

FIG. 3. -

Spectre d’amplitude

(1°B +

NaI).

largeur

à mi-hauteur de 17

_{% ;}

dans ces conditions

et

_malgré

la constante de

_temps

de scintillation de

_0,2

_ps de l’iodure de

_sodium,

il est

_possible,

en formant les

_impulsions

d’anode du

photomulti-plicateur

sur une résistance de

_charge

de 200

_Q,

de définir un intervalle de

_temps

avec une

_précision

de 5 à 6 ns.

Le second détecteur

_qui

utilise la i éaction

est un verre scintillateur au lithium

_naturel,

de fabrication

_étrangère.

Son

_efficacité,

de 5 à 6

_%

pour des neutrons

thermiques,

diminue de 50 à 100 fois _pour des neutrons de 1 à 100 keV

_{(fig. 4)}

et

_présente

un maximum à 270 keV dû à la

réso-FIG. 4. - Verre

au lithium.

~

,

nance du lithium. La sensibilité aux _y de ce verre n’est pas très

grande,

les

_impulsions

dues aux

neutrons sont

_plus

_grandes

_{que celles}

_produites

_par les _y de

_1,3

MeV du s°Co

_{(fig. 5)}

ce

_qui

_permet

de

l’utiliser

_malgré

la

_présence

d’un fond _y. Un essai de

_{discrimination neutron-gamma}

_d’après

la forme

FIG. 5. ~- Détecteur : Verre au Li.

,

de

_{l’impulsion}

a donné

_quelques

résultats

encou-rageants ;

il semble que les scintillations dues aux

particules

lourdes

(a

et

T)

soient

légèrement

plus rapides

que celles dues aux

_électrons,

les

constantes de

_temps

de scintillation étant dans les deux cas voisines de 60 ns.

La distribution en

amplitude

des

impulsicns

pro-voquées

par des neutrons

thermiques

comporte

un

pic

dont la

_largeur

à mi-hauteur est de 25

_%.

On

172 A

Fie,. 6. - Schéma de

l’appareillage

de

spectrométrie

par temps de vol.

décroissance de ce

scintillateur,

définir un

_temps

avec une

_précision

de 2 à 3 ns.

Ces détecteurs furent utilisés successivement dans un

dispositif

de

spectrométrie

_par

_temps

de

vol dont le schéma est donné

_{( fig. 6).}

_{On remarque} que la voie

lente,

dont la fenêtre est

ajustée

pour encadrer le

_pic

_{correspondant}

aux

_neutrons,

_opère

une sélection sur les

_impulsions

de la voie

_rapide

par l’intermédiaire d’une

porte

placée

avant le

con-vertisseur de

_temps

en

_amplitude.

Cette

_disposition

présente

plusieurs

avantages :

le

_décalage

en

_temps

entre

_{l’impulsion rapide}

et

_{l’impulsion}

de

_porte

ne

dépend

pas du

temps

de

_{vol ;}

le convertisseur de

temps

en

_amplitude

ne

_reçoit

_{que les}

_impulsions

qui

seront effectivement

_analysées,

ce

_qui

diminue

le taux de

_comptage

et

_augmente

la

_précision.

Enfin,

le retard R

_réglable,

_placé

sur le

signal

sinu-soïdal avant le

_{générateur d’impulsions}

de

réfé-rence,

permet

de faire varier d’une valeur déter-minée le retard relatif des

_impulsions

«

départ »

et

(~ arrêt » sans introduire d’erreur de

_temps

due à la variation du

_temps

de montée de

_{l’impulsion}

avec

le retard.

La

_figure

7 montre le

_spectre

de

_temps

de vol ainsi obtenu. La

_fréquence

de déflexion du faisceau de

_protons

est de 2

_mégahertz

ce

_qui

donne 250 ns

entre _{deux passages} successifs du faisceau sur la

cible. La résolution en

_temps

de tout

l’appareil-lage :

détecteur et

_{électronique}

est ainsi de 8 ns

(largeur

à mi-hauteur du

_pic).

Dans les mêmes

_conditions,

le verre au lithium

permet

d’obtenir une résolution du même ordre :

largeur

de

_pic

à mi-hauteur inférieure à 10 _ns, mais sous sa forme actuelle

(lithium

_naturel)

il

n’est pas utilisable facilement à cause de son

effi-Fie. 7. -

Spectre de _temps de vol des neutrons

de la réaction _{T(p, n} 3He.}

cacité

_trop

_{faible pour des} neutrons de

_quelques

keV. Ce détecteur conserve

_cependant

tout son

intérêt si l’on

_envisage

la

_possibilité

d’obtenir un

verre enrichi au 6Li. Son efficacité

_qui

serait ainsi

considérablement

_augmentée

le rendrait compa-rable à l’iodure de sodium et bore

_10,

sur

_lequel

il

présenterait

en outre les

_avantages

d’être moins sensible aux _y et de

_pouvoir

être utilisé sous un

plus grand

volume.

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BNL 323.