DAM / Île de France : le détecteur Carmen  
     
   
     
  Etude expérimentale des mécanismes de pré-équilibre dans les réactions (n, xn)  
     
 
Au cours d'une réaction (n,xn), plusieurs neutrons (au nombre de x) sont émis après interaction avec le noyau cible. Ces réactions jouent un rôle important dans de nombreuses applications industrielles telles que les réacteurs à neutrons rapides, la transmutation des déchets radioactifs ou encore dans le programme Simulation du CEA/DAM. L'étude expérimentale de ces réactions a pour but de valider ou d'améliorer les modèles existants.
  
     
 
Deux mécanismes majeurs interviennent dans l'émission de neutrons par (n,xn) à basse énergie sur des éléments non fissiles :
  
 
 
l'évaporation, au cours de laquelle des neutrons sont éjectés après la formation du noyau composé "neutron + noyau cible". Le mécanisme d'évaporation permet au noyau composé, alors dans un état dit "chaud", de se "refroidir" en émettant des particules, préférentiellement des neutrons. Le temps caractéristique d'émission de neutrons d'évaporation, c'est-à-dire du retour vers un état d'équilibre statistique pour le noyau est de l'ordre de 10-16 s.
 
le pré-équilibre. Dans ce processus des particules sont éjectées juste avant l'établissement de l'équilibre thermodynamique par évaporation. Les particules sont émises avec en moyenne plus d'énergie que par évaporation et avec des temps caractériques beaucoup plus courts (très inférieurs à 10-16 s). Le pré-équilibre est une voie d'émission significative quand le neutron incident possède une énergie incidente comprise entre 10 et 200 MeV.
 
     
 
 
La figure ci-contre montre un exemple de spectre en énergie des neutrons émis dans la réaction (n,xn) sur le Nobium 93 à environ 14 MeV d'énergie incidente du neutron. Les points correspondent à des données expérimentales et les courbes à des calculs basés sur des modèles. Ce spectre illustre l'importance du pré-équilibre dans la compréhension des réactions nucléaires. En effet on aperçoit clairement que le mécanisme d'émission par évaporation, prédominant aux basses énergies d'émission, ne peut à lui seul reproduire le spectre à haute énergie, à partir de 4 MeV. Il faut pour cela ajouter une composante de pré-équilibre. Actuellement, ce mécanisme est mal connu et les modèles le décrivant ne sont pas assez performants. Les limites de ces modèles sont d'autant plus flagrantes que le nombre d'observables mesurées est important. Ainsi des sections efficaces intégrées peuvent être correctement reproduites sans que les distributions en angle et en énergie le soient nécessairement. Pour imposer des contraintes plus fortes et améliorer sensiblement la prédictibilité des modèles, de nouvelles mesures plus fines sont indispensables.
Energie des neutrons émis dans n+93Nb à 14 MeV  
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Dans ce programme expérimental inédit, on mesure le spectre en énergie de neutrons émis par réactions (n,xn) à différents angles et en caractérisant événement par événement la multiplicité x de la réaction, c'est-à-dire le nombre de neutrons émis. Cette expérience se déroule auprès de l'accélérateur TANDEM du département de physique théorique et appliquée du CEA/DAM.
  
     
  Moyens expérimentaux  
     
 
Le détecteur de grand volume CARMEN permet d'accéder à la multiplicité d'une réaction. Il est constitué de deux hémisphères indépendants de 60 cm de rayon externe. Un rayon interne de 15 cm définit au centre du détecteur un espace pour les échantillons à étudier. Chaque hémisphère comporte à sa surface 12 photomultiplicateurs (type 4512) et contient environ 450 litres de scintillateur liquide (BC521) dopé au gadolinium (0,5% en masse).
  
Principe de la mesure (n,xn)  
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Le principe de détection reprend celui de la boule de Berlin (BNB) ou du détecteur Orion. Il repose sur le ralentissement des neutrons qui pénétrent dans le détecteur, principalement par des chocs successifs sur les noyaux d'hydrogène présents en très grande quantité dans le scintillateur. Ce processus très rapide, quelques centaines de nanosecondes, produit un signal prompt lumineux. Ensuite, une fois ralentis et thermalisés, les neutrons ont une très forte probabilité d'être capturés par le gadolinium dissout dans le scintillateur. L'avantage du gadolinium est qu'il émet un fort rayonnement gamma (en moyenne trois photons gammas d'énergie totale 8 MeV) lors de cette capture. Ce rayonnement est converti en lumière visible par le scintillateur et constitue un signal retardé de quelques dizaines de microsecondes après l'entrée du neutron dans le détecteur. La lumière est détectée par les photomultiplicateurs répartis à la surface de la boule et signe ainsi la capture d'un neutron. L'ensemble des processus de thermalisation et de capture prend plusieurs dizaines de microsecondes, et permet de séparer en temps plusieurs neutrons émis en même temps bien qu'ils pénétrent dans le détecteur à seulement à quelques nanosecondes d'intervalle. Ainsi on détermine la multiplicité d'un événement.
Détection par ralentissement puis capture des neutrons dans CARMEN
 
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Un ensemble de 4 détecteurs de neutrons NE213 permet la mesure de l'énergie des neutrons. Ils sont montés autour du détecteur CARMEN. Ce dernier est ouvert légèrement (de 8 cm) pour permettre le passage des neutrons. L'énergie est déterminée par une technique de temps de vol qui consiste à mesurer le temps mis par les neutrons pour parcourir la distance cible-détecteur NE213. De ce temps, on déduit la vitesse et donc l'énergie du neutron.
  
     
 
Ainsi quand une réaction de multiplicité x a lieu, l'énergie d'un des neutrons est mesurée par un NE213 tandis que les (x-1) autres neutrons sont comptés dans CARMEN. Ce détecteur a une très grande efficacité, proche de 90% jusqu'à 10 MeV d'énergie des neutrons. De ce fait, il est très sensible au bruit de fond, ce qui a imposé la construction d'une nouvelle ligne de faisceau à la sortie de l'accélérateur TANDEM. Celle-ci est dotée d'une casemate en béton montée en bout de ligne autour de la source de production de neutrons afin de collimater parfaitement le faisceau de neutrons. La photo ci-contre illustre l'implantation du dispositif expérimental avec sa casemate en béton. Pour diminuer encore le bruit de fond ambiant lorsqu'un événement intéressant a été détecté, l'accélérateur a été pourvu d'un dispositif permettant de dévier le faisceau en amont de la ligne pendant le temps nécessaire au comptage des neutrons dans le détecteur CARMEN (environ 100 µs).
  
 
Le détecteur CARMEN implanté au CEA / DAM Île-de-France
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  Consultez le thème de recherche correspondant : les réactions nucléaires