D[PleaseinsertPrerenderUnicode{é}intopreamble]

Développement de détecteurs neutrons de basse énergie
Journées des doctorants
Développement de détecteurs neutrons
de basse énergie
Matthieu Sénoville
Groupe Structure Nucléaire
LPC-Caen, ENSICAEN, Université de Caen, CNRS/IN2P3, Caen, France
20 Juin 2011
Matthieu Sénoville
Journées des doctorants 20 Juin 2011
1 / 13
Développement de détecteurs neutrons de basse énergie
Décroissance β-Xn
Décroissance β − :
A
β−
Z −→
A
(Z + 1) + e − + ν
Noyaux riches en neutrons
Faible énergie de séparation de neutron
( Sn ∼ MeV )
Qβ élevé ( jusqu’à ∼ 20 MeV )
La décroissance β peut peupler un état non lié
E
∗
> Sn , S2n . . .
−→ Emission de neutrons retardés
En = 0 - 10 MeV
Construction du schéma de désintégration de A Z
−→ détection des neutrons retardés
Matthieu Sénoville
Journées des doctorants 20 Juin 2011
2 / 13
Développement de détecteurs neutrons de basse énergie
Détection des neutrons retardés
Limitations actuelles
Mesure de l’énergie par temps de vol
Exemple : détecteur TONNERRE
(LPC-Caen,IFIN-Bucharest)
résolution en énergie limitée
(80 keV pour 1 MeV neutron)
γ ambients, cosmiques : fond aléatoire
qui empêche coïncidence n-n
A. Buta et al. NIM A455 (2000)
seuil de détection élevé (300 keV)
distribution asymétrique
SPIRAL2 : A = 70-150
densité de niveaux élevée
Nouveau détecteur nécessaire
Matthieu Sénoville
Journées des doctorants 20 Juin 2011
3 / 13
Développement de détecteurs neutrons de basse énergie
Détection des neutrons retardés
Solutions envisagées
augmentation de la résolution en énergie, réduction de l’asymétrie
I
I
faible épaisseur, petit volume
augmentation de la base de vol
discrimination n-γ
I
scintillateur organique liquide
X
diminution du seuil
I
I
faible épaisseur, petit volume
électronique numérique (FASTER)
X
détection de plusieurs neutrons
I
I
rejet des γ ambients et des cosmiques
réduction du cross-talk
−→ détecteur modulaire X
D. Goupillière, Service Méca LPC-Caen
Matthieu Sénoville
Journées des doctorants 20 Juin 2011
4 / 13
Développement de détecteurs neutrons de basse énergie
Détection des neutrons
Détecteur EDEN [1] (IPN-Orsay, KVI)
I
I
scintillateur organique NE213 = riche en hydrogène
détecteur sensible aux neutrons et aux gammas
Détection indirecte
I
I
transfert d’énergie à une particule chargée (diffusion ou réaction nucléaire)
détection de la particule chargée
5 cm
diffusion du neutron
sur l'hydrogène
(proton)
n
guide de lumière
scintillation
Amplification du
nombre d'électrons
20 cm
photoélectrons
photons de
p
signal électrique
scintillation
e-
γ
γ'
γ : effet Compton
photocathode
scintillateur NE213
dynodes
anode
photomultiplicateur XP4512B
[1] H. Laurent et al. NIM A326 (1993)
Matthieu Sénoville
Journées des doctorants 20 Juin 2011
5 / 13
Développement de détecteurs neutrons de basse énergie
Détection des neutrons
Acquisition FASTER (LPC-Caen)
acquisition numérique
échantillonnage à 500 MHz
Discrimination n-γ
méthode classique : intégration sur 2 portes
=⇒ comparaison de charges (CC) [1]
[1] M. Moszynski et al. NIM A317 (1992)
Signaux moyens obtenus avec FASTER
(charge = 1) :
forme n 6= forme γ
Matthieu Sénoville
Journées des doctorants 20 Juin 2011
6 / 13
Développement de détecteurs neutrons de basse énergie
Méthodes de discrimination n-γ
Temps de montée du signal intégré [1]
Ajustement avec un signal moyen [2]
équivalent numérique du Zero Cross-Over
2
2
D = (χn − χγ )/Qtot
Amplitude [u.a.]
Charge norm.
D = t90% − t10%
1
0.8
neutron
0.6
Dγ
signal neutron mesure
104
signal neutron moyen
signal gamma moyen
3
10
gamma
102
0.4
Dn
0.2
0
ajustement
de
l’amplitude
10
t10%,γ
t10%,n
0
20
t90%,γ
40
t90%,n
60
80
100
0
20
calcul du χ2
40
60
80
100
Temps d’integration [ ns ]
120
140
160
Temps [ns]
Corrélation [3]
Z
D = max[C(t)]/Qtot
[1] G. Ranucci NIM A354 (1995)
Matthieu Sénoville
avec
C(t) =
[2] C. Guerrero et al. NIM A597 (2008)
0
0
s(t )n(t − t)dt
0
[3] N.V. Kornilov et al. NIM A497 (2003)
Journées des doctorants 20 Juin 2011
7 / 13
Développement de détecteurs neutrons de basse énergie
Méthodes de discrimination n-γ
t1
Nn (t) − Nγ (t)
n(t) − γ(t)
w (t) = 2
=
2 (t)
σn (t) + σγ
n(t) + γ(t)
n(t) : signal moyen neutron
γ(t) : signal moyen gamma
Amplitude [u.a.]
Méthode de Gatti et De Martini [1]
Z t
2
s(t)w (t)dt
D = SGDM =
0.15
0.1
n(t)
γ (t)
w(t)
0.05
maximise le rapport :
0
difference entre n et γ
fluctuations du nombre de photoelectrons
0
50
100
150
200
Temps [ns]
Quelles sont les performances du numérique en terme de discri n-γ ?
Quelle est la meilleure méthode ?
[1] E. Gatti, F.D. Martini, Proceeding of International Conference at Belgrade, Vol. II, IAEA, 1962
Matthieu Sénoville
Journées des doctorants 20 Juin 2011
8 / 13
Développement de détecteurs neutrons de basse énergie
Qualité de la discrimination
Facteur de Mérite :
M =
Ici :
Matthieu Sénoville
|Dn − Dγ |
Wn + Wγ
M = 1, 83
Journées des doctorants 20 Juin 2011
9 / 13
Développement de détecteurs neutrons de basse énergie
M
Comparaison des méthodes
2
1.8
1.6
1.4
CC ( FASTER )
1.2
CC ( FASTER )
GDM
GDM(( FASTER
FASTER ) )
Correlation ( (FASTER
)
Correlation
FASTER
)
1
Temps de
de montee
( FASTER
)
Temps
montee
( FASTER
)
Ajustement ( FASTER )
Ajustement ( FASTER )
0.8
CC ( electronique classique )
CC ( electronique analogique )
0.6
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
E [MeVee]
Bilan
meilleure discrimination avec FASTER qu’avec une électronique analogique
meilleure méthode : GDM ;
discrimination acceptable : Comparaison de Charge
"seuil de discri" FASTER :
M = 1 −→ 135±5 keVee ( En = 770±20 keV )
"seuil de discri" analogique :
M = 1 −→ 200±5 keVee ( En = 980±20 keV )
Matthieu Sénoville
Journées des doctorants 20 Juin 2011
10 / 13
Développement de détecteurs neutrons de basse énergie
Cross-Talk (ou diaphonie)
En vue d’une expérience β-Xn :
optimisation de la géométrie des modules
optimisation du placement des détecteurs
vérifier les performances du filtre cross-talk [1]
−→ Simulations
Il n’y a aucune mesure du cross-talk à En < 10 MeV
Mesure du cross-talk au CEA Bruyères-le-Châtel avec neutrons monoénergétiques
production des neutrons (exemple) :
T(p,n)3 He
buts de l’expérience :
I
I
I
I
tester les simulations
valider le filtre cross-talk
réponse des détecteurs aux neutrons monoénergétiques
tests FASTER ( temps de vol, . . .)
simulations nécessaires pour préparer l’expérience avec EDEN (Oct-Nov 2011)
I
I
ordre de grandeur du cross-talk et du temps de faisceau
placement des détecteurs
Matthieu Sénoville
Journées des doctorants 20 Juin 2011
[1] F.M. Marqués et al. NIM A450 (2000)
11 / 13
Développement de détecteurs neutrons de basse énergie
Simulation du Cross-talk
MENATE [1] : code Monte-Carlo −→ simule la détection des photons et des neutrons
dans scintillateurs organiques et CsI
Tests des simulations sur données existantes à plus haute énergie
Test à 37 MeV [2]
DEMON (ULB,IReS,LPC-Caen,UCL) :
diamètre : 16 cm
épaisseur : 20 cm
seuil de A : 0,340 MeVee
seuil de B : varie
=⇒ bon accord entre simulations et mesures
=⇒ résultats similaires à ceux trouvés
dans les thèses [3]
[1] P. Désesquelles et al. NIM A307 (1991)
[2] I. Tilquin et al. NIM A365 (1995)
[3] M. Labiche Thèse UCBN (1999)
Matthieu Sénoville
Journées des doctorants 20 Juin 2011
12 / 13
Développement de détecteurs neutrons de basse énergie
Conclusion et perspectives
Discrimination n-γ
I FASTER plus performant que l’électronique analogique
I actuellement M = 1 −→ 135±5 keVee ( E = 770±20 keV )
n
I à faire :
F autres méthodes de discrimination
F discrimination avec des scintillateurs de plus petit volume (5×5 cm)
cross-talk
I à faire :
F préparer l’expérience au CEA (géométrie, estimation du temps de faisceau)
F analyser cette expérience et obtenir des valeurs de la probabilité de cross-talk
pour En <10 MeV
F validation des simulations
F optimiser la géométrie pour minimiser le cross-talk
expérience test β-Xn à ISOLDE avec multidétecteur du CIEMAT (Madrid)
géométrie du multidétecteur pour une véritable expérience β-Xn SPIRAL2 DESIR
Matthieu Sénoville
Journées des doctorants 20 Juin 2011
13 / 13