Afin de couvrir toute la gamme en énergie de l'installation AMANDE et de produire des champs neutroniques mono-énergétiques de référence allant de 2 keV à 20 MeV, le LMDN développe actuellement deux détecteurs : une chambre à projection temporelle (μTPC) pour les énergies allant de 2 keV à 5 MeV, et un télescope a protons de recul pour les énergies allant de 5 MeV à 20 MeV. Ces travaux présentent les grandes lignes du téléscope à protons de recul basé sur un circuit CMOS.

Objectifs

Développer un télescope à protons de recul comme instrument de référence.

Améliorer les caractéristiques du premier prototype réalisé  : rapidité d’acquisition, compacité du système, meilleure résolution angulaire, diminution des événements fortuits

Résumé et premiers résultats

Image
ENG-RI-01 fig0
Dispositif électronique CMOS du télescope à protons de recul

Le LMDN dispose de plusieurs installations capables de délivrer des champs neutroniques. Le LMDN, en tant que laboratoire associé au LNE, a pour mission de caractériser l’énergie et la fluence neutronique avec des instruments et des méthodes primaires. Afin de couvrir toute la gamme en énergie de l'installation AMANDE, produisant des champs neutroniques mono-énergétiques de 2 keV à 20 MeV, le LMDN développe actuellement deux détecteurs susceptibles de devenir étalons primaires : une chambre à projection temporelle μTPC pour les énergies allant de 2 keV à 5 MeV, en collaboration avec le LPSC de Grenoble, et un télescope a protons de recul, utilisant la technologie CMOS pour les énergies allant de 5 MeV a 20 MeV, en collaboration avec le groupe RaMSeS de l’IPHC Strasbourg. Dans le cadre de cette étude, l’accent est mis sur une démarche métrologique rigoureuse concernant les mesures de l’énergie, de la fluence et des incertitudes associées.

Le concept de télescope à protons de recul pour la mesure de l’énergie de neutrons rapides a été mis en œuvre par plusieurs équipes dans le monde, essentiellement pour la caractérisation de sources de spallation ou pour des projets d’hadron-thérapie. Un tel télescope permet en effet une mesure simultanée de l’angle de diffusion des protons de recul ainsi que de leur énergie. Cependant, les projets existants ne permettent pas de reconstruire cette énergie avec une efficacité de détection satisfaisante (de l’ordre de 10-6), les protons de recul devant en effet traverser plusieurs plans de détection pour que la trajectographie soit efficace (plans de scintillateurs ou détecteurs silicium a micro-pistes). De plus, les diffusions multiples que subissent les protons a basse énergie constituent une limite physique sévère à la précision d’une telle mesure.

En 2006, la collaboration entre le LMDN et le RAMSES (IPHC Strasbourg) a proposé une avancée décisive dans ce type d’instrument, mettant à profit son expertise dans les capteurs à pixels de type CMOS. Ces capteurs au silicium, complètement intègres à la microélectronique, sont développés à Strasbourg pour des applications de trajectographie en physique des particules, avec une précision de l’ordre du micromètre. Flexibles, efficaces et relativement tolérants aux radiations ionisantes, ces détecteurs sont maintenant disponibles en version amincie, jusqu’a 50 micromètres d’épaisseur en version standard, voire moins. En 2009, un premier prototype complet de télescope a été construit sur la base de trois plans de capteurs de grande taille (2 cm2) avec un espacement de pixels de 30 µm, suffisant pour cette application. Avec une distance de seulement 6 mm entre deux plans consécutifs de capteurs, l’angle solide de détection est considérablement augmenté par rapport aux projets concurrents dits à « angle zéro », laissant entrevoir une efficacité de détection prometteuse. Le dernier étage du système est constitué d’une diode Si(Li) épaisse de 3 mm, ce qui a permis d’observer des traces de protons de recul de 19 MeV et jusqu’à l’énergie minimale de 5 MeV.

Une qualification métrologique demande un travail important nécessaire à la compréhension des limites de l’instrument actuel, en premier lieu des phénomènes parasites que constituent les événements inélastiques. En effet, les neutrons ne sont convertis qu’à raison d’un pour mille dans le mince convertisseur de polyéthylène : la section efficace de diffusion élastique (n,p) est de l’ordre du barn à 10 MeV, et le convertisseur doit rester mince sous peine de dégrader l’énergie résiduelle des protons. Une petite fraction de neutrons est convertie dans la couche d’air entre la source et le télescope, et une autre dans le premier plan de capteurs silicium, donnant lieu à des protons (ou des particules alpha) de recul qui tendent à se confondre avec les événements d’intérêt. Une autre source d’événements parasites provient de la diode Si(Li) elle-même. Bombardée par l’écrasante majorité de neutrons qui traversent le système sans interaction, les 3 mm de silicium sont, malheureusement, un convertisseur très efficace via la réaction inélastique Si(n,p). Ceci génère un énorme bruit physique d’inélastiques, qui vient perturber les « bonnes » coïncidences et impose une fréquence d’acquisition très élevée, ou, de manière équivalente, un flux de neutrons maximal qu’il va s’agir de déterminer avec précision. En outre, même à bas flux, certains de ces événements génèrent des traces de protons qui leur sont réellement associées, mais en rétrodiffusion (le proton revient de la diode vers les plans de pixels). Des critères de sélection ont été étudiés par simulation et appliqués aux résultats expérimentaux afin de discriminer les « bons événements » de ces évènements parasites.

Enfin de nombreuses campagnes de mesures ont été réalisées avec trois objectifs principaux :Tests et mise en place d’une méthode d’analyse des données (entre 2009 et 2011). Lors de ces tests les champs neutroniques produits auprès d’AMANDE, en particulier le 14 MeV, ont été utilisés.

Caractérisation des éléments composants le système :

  • Mesures de l’épaisseur des capteurs et des convertisseurs : utilisation du microfaisceau de protons du CENBG/CNRS Bordeaux
  • Mesures de l’efficacité des capteurs, de la diode et du système complet : utilisation du microfaisceau de protons du CENBG/CNRS Bordeaux, du microfaisceau et du microfaisceau de protons du PTB Allemagne
  • Points supplémentaires pour l’étalonnage en énergie : utilisation du microfaisceau de protons du CENBG/CNRS Bordeaux, du microfaisceau et du microfaisceau de protons du PTB Allemagne
  • Mesures de l’énergie et de la fluence de champs neutroniques
  • Mesures de champs neutroniques mono-énergétiques auprès d’AMANDE (5, 7, 14, 17 et 19 MeV)
  • Mesures de champs neutroniques étendus : source d’241AmBe

Les mesures en énergie donnent de très bons résultats avec une résolution variant de 3 à 8 %

Impacts scientifiques et industriels

Le projet doit aboutir à l’obtention d’un étalon primaire utilisable en routine sur l’installation AMANDE dans le cadre d’un contrat de collaboration spécifique entre l’IPHC et le LMDN. Cette technologie est actuellement un plein essor et la mise au point d’un instrument de mesures bénéficiant des derniers développements dans ce domaine constitue indéniablement un atout majeur pour une installation métrologique de référence.

Publications et communications

ALLAOUA A., GUILLAUDIN O., HIGUERET S., HUSSON D., et LEBRETON L., “Novel recoil nuclei detectors to qualify the AMANDE facility as a standard for mono-energetic neutron fields”, Radiation Measurements, 44, 2009, 755-758.

TAFOREAU J., HIGUERET S., HUSSON D., LEBRETON L., LE T.D.  et  PETIT M., A new recoil proton telescope for the characterisation of energy and fluence of fast neutrons, Journal of Instrumentation, 7, 2012.

TAFOREAU J., LEBRETON L., HUSSON D., HIGUERET S., PETIT M. et LE T.D., “A new recoil proton telescope for the characterisation of fast-neutron fields in the range 5 MeV-20 MeV”, FNDA 2011, Ein Gedi, Israel, 6-11 novembre 2011.

ALLAOUA A., GUILLAUDIN O., HIGUERET S., HUSSON D., et LEBRETON L., Novel recoil nuclei detectors to qualify the AMANDE facility as a standard for mono-energetic neutron fields ”, 24th International Conference on Nuclear Tracks in Solids, Bologne, Italie, 1-5 septembre 2008.

TAFOREAU J., SCHAEFER I., HIGUERET S., HUSSON D. et LEBRETON L., Energy measurement of fast neutron fields with a recoil proton telescope using active pixel sensors”, ICRS-12, Nara, Japon, 2–7 septembre 2012.

TAFOREAU J., HIGUERET S, HUSSONS D. et LEBRETON L.,“Fluence measurement of fast neutron fields with a highly efficient recoil proton telescope using active pixels sensors”, NEUDOS12, Aix-en-Provence, France, 3–7 juin 2013.

TAFOREAU J, « Un spectromètre à pixels actifs pour la métrologie des champs neutroniques », école doctorale Physique et physique chimie, soutenue le 30 septembre 2013.

Partenaires

  • RaMsEs (IPHC/Strasbourg)
  • Département mathématiques et statistiques du LNE

Projets associés

Développement d’un détecteur gazeux utilisant la technologie MICROMEGAS, pour les mesures de référence en énergie et en fluence des champs mono-énergétiques d’AMANDE, en-deçà du MeV (µ-TPC).

Les technologies innovantes développées en physique des particules, permettent de réaliser des dispositifs performants pour l'établissement de références en rayonnement ionisants. C'est le cas ici pour les champs de neutrons d'énergie en deçà de 1 MeV.