Laboratoire d'accueil : Laboratoire de métrologie et de dosimétrie des neutrons (LMDN)
Date de début de la thèse : 18/10/2010
Nom du doctorant : Julien Taforeau
Contexte
Le LMDN possède trois dispositifs permettant de produire des champs neutroniques mono-énergétiques: les deux premiers créent ainsi des champs relativement intenses de 3,3 (T400) et 14,8 MeV (J25) qui, alliés au dispositif CANEL, permettent la création de champs dits "réalistes" (représentatifs des champs neutroniques de l'industrie nucléaire); le troisième dispositif, AMANDE, produit des champs neutroniques mono-énergétiques de quelques keV à 20 MeV avec une grande précision en énergie. Ces installations contribuent à l'étude des réponses des dosimètres et plus largement des systèmes de détection neutrons en fonction de l'énergie. Pour caractériser les champs neutroniques mono-énergétiques, l'une des méthodes consiste à utiliser un "télescope à protons de recul" : la connaissance de l'énergie du proton de recul et de son angle d'émission permet en effet de définir de manière directe l'énergie du neutron incident:
Ep =En cos2 θ
Résumé des travaux réalisés (2006-2009)
Le projet a été initiée dès octobre 2006 en association avec le groupe RaMsEs de l'IPHC (Institut Pluridisciplinaire Hubert Curlen-Strasbourg). Un modèle de dispositif a été simulé à l'aide du code MCNPX et a conduit à la réalisation d'un premier prototype en 2009. Compte tenu de la géométrie du système, le seuil de détection en énergie est supérieur à 5 MeV. Les neutrons par collisions élastiques dans un convertisseur fortement hydrogéné (polyéthylène) créent des protons de recul. les plans de CMOS (trois) permettent de déterminer le point de passage du proton. Ils sont constitués de capteur CMOS de type MimoStar3L-20 de 2 cm2 de surface, composés de 640*320 pixels et amincis à 5O μm. l'espace entre pixel est de 30 μm. les trois étages CMOS permettent ainsi de définir la trajectoire du proton de recul. Enfin le proton s'arrête dans une diode silicium dopée au lithium (Si(Li)) de 3 mm d'épaisseur, où son énergie restante est mesurée. l'épaisseur de la diode permet de stopper des protons de recul induits par des neutrons de 20 MeV. Afin de maximiser l'angle solide, la distance entre deux plans de capteurs doit être minimale. Compte tenu des contraintes mécaniques (taille des composants, épaisseur des connecteurs), il a été possible de réaliser, pour ce prototype, une distance de seulement 0,6 cm. Le système a été testé avec succès auprès d'AMANDE en juin 2009. Le début de l'analyse montre la possibilité de reconstruire les traces des protons de recul et de définir l'angle d'émission. A partir de ces données et de la mesure de l'énergie déposée dans la diode, il est possible de remonter à l'énergie des neutrons incidents. les premiers résultats sont très prometteurs.
Poursuite du projet
Pour aboutir à un système étalon utilisable en routine au LMDN, plusieurs étapes devront être réalisées.
En tout premier lieu, les tests du premier prototype devront se poursuivre sous dffférentes conditions expérimentales afin d'évaluer les fragilités du système et les possibilités d'amélioration. Les mesures de l'angle d'émission et de l'énergie des protons de recul seront les premiers objectifs à atteindre afin de remonter à l'énergie des neutrons incidents. Dans cette étape, une importance toute particulière sera portée sur les performances du système (résolution en énergie, fluence, incertitudes associées). Une étude qualitative et quantitative des événements fortuits (pollution) devra egalement être faite. Enfin, en partenariat avec L'équipe de l'lPHC, une réflexion sur les choix de la technologie CMOS la plus adaptée au dispositif et sur Les modifications à apporter conduira la collaboration à élaborer un second prototype pour lequel la prise en compte des paramètres "pérennité" et "maintenance du système" seront garants d'une utilisation en routine auprès des installations du LMDN. Ce projet fait l'objet d'un contrat de collaboration avec l'IPHC/Ramses d'une durée de 5 ans et a été soumis au LNE en septembre 2009. le conseil scientifique des rayonnements ionisants du LNE a sélectionné le projet (novembre 2009) et le comité de la métrologie l'a validé en décembre 2009. Un contrat programme annuel débutant au 1er trimestre 2010 entre le LNE et le LMDN est en cours de rédaction. Via ce contrat, une partie de l'équipement sera financé ainsi qu'une partie de la main d'oeuvre. Le LNE s'engage a cofinancer la thèse à hauteur de 50%.