La production de neutrons nécessite pour leur caractérisation, la mise en place de références constituées d'un champ mono-énergétique de neutrons associé à un détecteur permettant la maîtrise en énergie et le contrôle en fluence de ce champs. Le champ mono-énergétique est généré au laboratoire LMDN de l'IRSN par l'accélérateur de particules AMANDE ; le détecteur est le dispositif faisant l'objet de cette étude. La technologie choisie ici est ciblée pour une gamme d'énergie en deçà de 1 MeV, en mode continu.

Objectifs

Développer un dispositif en utilisant des technologies innovantes développées en physique des particules, permettant de réaliser des mesures de référence en énergie et en fluence des champs mono-énergétiques de l’accélérateur AMANDE, en-deçà du  MeV.

En théorie, le seuil de détection en énergie sera très bas (idéalement quelques keV). Le système est l’un des seuls à notre connaissance à pouvoir mesurer la distribution en énergie des neutrons, en mode continu, à des énergies aussi basses.

Les performances attendues du système sont de l’ordre de 3% sur les mesures en énergie moyenne et en fluence, à savoir, comparables à celles des systèmes existants pour des énergies plus hautes.

Résumé et premiers résultats

Image
ENG-RI- 02 fig0
Photographie de l’installation AMANDE

Dans le domaine des rayonnements ionisants, les installations produisant des champs neutroniques sont essentielles pour étalonner et développer des détecteurs de neutrons. Cependant, ces champs neutroniques doivent être caractérisés en énergie et en fluence pour être considérés comme des champs de référence. Pour mesurer directement la distribution en énergie de champs neutroniques dont l’énergie est inférieure à 1 MeV, un détecteur gazeux (μ-TPC pour micro Time Projection Chamber) est en cours de développement au LNE-IRSN/LMDN (Laboratoire de Métrologie et de Dosimétrie des Neutrons).

Ce projet se déroule en collaboration avec l’équipe MIMAC du Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie (LPSC/UJF/CNRS-IN2P3/INP) qui a développé ce détecteur, initialement pour la détection directionnelle de matière noire. En effet, l’interaction de ces particules avec la matière induit des reculs nucléaires, comme pour les neutrons. Ce principe peut être appliqué à la détection de neutrons.

L’objectif de ce projet est de développer et d’optimiser un détecteur capable de mesurer la distribution en énergie de la fluence neutronique entre 8 keV et 1 MeV. Pour cela un certain nombre de conditions sont impératives au bon développement d’un dispositif métrologique :

  • maitriser au LMDN le dispositif conçu au LPSC,
  • développer un algorithme d’analyse des données,
  • réaliser des simulations pour estimer la réponse du système,
  • réaliser des campagnes de mesures sur des installations capables de produire des champs neutroniques,
  • maîtriser et propager les incertitudes associées à chaque paramètre,
  • aboutir à un fonctionnement en routine à la fin du projet.

Depuis le début du projet, plusieurs objectifs ont déjà été remplis : l’ensemble de dispositif a été réalisé et il est disponible sur l’installation AMANDE du LMDN. Un algorithme d’analyse des données et une modélisation du dispositif ont été développés. Plusieurs campagnes de mesure ont été réalisées sur l’installation AMANDE du LMDN et les analyses ont déjà montré les possibilités de reconstruction de l’énergie neutron à 27 keV, 127 keV, 144 keV, 250 keV et 565 keV. La source d’ions COMIMAC a été développée au LPSC et mise en fonctionnement au LMDN. Elle permettra d’améliorer la mesure de l’énergie des noyaux de recul. L’équipe s’est ensuite orienté dans la réalisation d’une nouvelle enceinte afin de limiter la diffusion des neutrons sur les parois, l’électronique du détecteur a été améliorée (temps de réponse plus court). Enfin la caractérisation des incertitudes est en cours avec des spécialistes du domaine du LNE et de l’IRSN.

Impacts scientifiques et industriels

Le projet doit se poursuivre vers l’obtention d’un étalon primaire utilisable en routine sur l’installation AMANDE dans le cadre d’un contrat de collaboration spécifique entre le LPSC et le LMDN.

Publications et communications

MAIRE D., BILLARD J., BOSSON G., BOURRION O., GUILLAUDIN O., LAMBLIN J., LEBRETON L., MAYET F., MEDARD J., MURAZ J.F., RICHER J.P., RIFFARD Q. et SANTOS D., “Development of a μ-TPC detector as a standard instrument for low-energy neutron field characterization”, Radiation Protection and Dosimetry, 161, 2014, 245-248.

MAIRE D., BILLARD J., BOSSON G., BOURRION O., GUILLAUDIN O., LAMBLIN J., LEBRETON L., MAYET F., MEDARD J., MURAZ J.F., PETIT M., RICHER J.P., RIFFARD Q. et SANTOS D., “First Measurement of a 127 keV Neutron Field with a μ-TPC Spectrometer”, IEEE Transaction on Nuclear Sciences, 61, 2014, 2090-2096.

MAIRE D. et AL., "μ-TPC: A future standard instrument for low energy neutron field characterization," 2013 3rd International Conference on Advancements in Nuclear Instrumentation, Measurement Methods and their Applications (ANIMMA), Marseille, France, 23-27 Juin 2013

Partenaires

  • Le LPSC (CNRS Grenoble) est le partenaire principal sur le projet μ-TPC. Il a réalisé le premier prototype, l’électronique rapide d’acquisition, le dispositif COMIMAC.
  • La société 2MProcess est intervenue dans la réalisation du système de régulation du mélange gazeux et apporte ses conseils depuis concernant la pureté des gaz.
  • La société SDMS a contribué à l’étude de conception de la nouvelle enceinte de mesure et a réalisé cet équipement.

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