Brevet FR2069958A1 — publié le 19710910

La présente invention concerne les dispositifs pour détecter des neutrons, par exemple pour la spectrométrie ou la mesure dun flux de neutrons. On connais largement des dispositifs pour la détection de neutrons comportant des moyens sensibles aux neutrons convertissant les neutrons en rayonnements ionisants appelés radiateurs ou convertisseurs de neutrons, et des détecteurs de rayonnements nucléaires à base de silicium, de germanium, ou de carbure de silicium. Le radiateur se situe devant le détecteur, qui enregistre les particules chargées apparaissant par la suite des-réactions induites par les neutrons dans le matériau du radiateur. L'inconvénient des dispositifs contenant des détecteurs au silicium réside dans le fait qu'au cours de la détection des neutrons à hautes énergies, un bruit de fond important apparat par suite des réactions induites par les neutrons-avec les noyaux de silicium. D'autre part, ces détecteurs ne peuvent pas être utilisés à des températures élevées. Bien que le bruit de fond produit par les réactions nucléaires lorsqu'on utilise des détecteurs au eerma- nium est beaucoup plus faible en comparaison avec les détecteurs au silicium, on est obligé de les refroidir au cours du fonctionnement. Les détecteurs au carbure de silicium peuvent fonctionner à des températures élevées, mais ils ont une mauvaise résolution énergétique et un rapport signalXbruit faible.D'autre part, tous les détecteurs décrits plus haut sont extremement sensibles au bruit de fond du rayonnement gamma qui, en règle générale, accompagne l'irradiation neutronique. A la température normale, les détesteurs mentionnés ont un niveau de bruits élevé ce qui ne permet pas, dans certains cas, de détecter les neutrons à basse énergie à des fins de spectrométrie. Et enfin, dans ces détecteurs, sous 1'action des neutrons apparaissent des dommages dus aux radiations qui limitent leur durée de service. La présente invention a pour but la création d'un dispositif pour la détection de neutrons assurant un faible bruit de fond causé par les réactions nucléaires, tout en étant peu sensible au bruit de fond de rayonnement gamma et capable de détecter les neutrons à des températures normale et élevée avec une haute sensibilité. Pour atteindre le but indiqué, l'invention vise l'utilisation d'un détecteur possédant un niveau de bruit faible, une faible sensibilité aux rayonnements gamma, possédant une haute résistance à l'irradiation et pouvant fonctionner à des températures normale et élevée. Suivant l'invention, le dispositif pour la détection de neutrons comportant un radiateur, convertissant les neutrons enrayon- nements ionisants, au moins un détecteur de rayonnements nucléaires avec un amplificateur et un appareil d'enregistrement à la sortie et une source d'alimentation du détecteurs est caractérisé en ce que, conjointement à un radiateur il est prévu un détecteur de rayonnements nucléaires constitué par une plaque en cristal de diamant avec des contacts disposés sur ses faces opposées, qui sont prévus pour appliquer un champ électrique à la plaque; dont l'rez paisseur du domaine de travail se trouvant entre lesdits contacts ne dépasse pas le parcours des porteurs de charge dans le cristal de diamant sous l'effet du champ électrique appliqué, et par ailleurs, le contact se trouvant sur le côté de la plaque qui, au cours de la détection des neutrons est exposée - la radiation par les rayonnements ionisants, qui apparaissent à la suite des réactions nucléaires des neutrons avec le matériau du radiateur, est un contact de blocage pour les porteurs de charge, ce contact étant raccordé à ltentrée d'un.amplficateur avec un appareil enregistreur, tandis que le contact se trouvant sur le côté opposé de la plaque est réalisé en un matériau capable conjointement avec le diamant d'injecter des porteurs de charge- sous l'effet du champ électrique appliqué et raccordé à travers une résistance à la source d'alimentation. Lorsqu'on utilise un détecteur en diamant avec des contacts de blocage et d'injection, le radiateur peut être réalisé sous la forme d'une pellicule en un matériau susceptible de convertir les neutrons en rayonnements ionisants, qui est placée à l'extérieur du détecteur devant le contact de blocage. Afin d'accroître l'efficacité de détection des neutrons, il est avantageux dé réaliser le contact de blocage et le radiateur en un seul bloc. Dans ce cas, le contact de blocage du détecteur en diamant peut être réalisé en couche superficielle du matériau de carbure sensible aux neutrons ou couche superficielle d'une plaque de cristal de diamant dopée dtun matériau sensible aux neutrons, alors la conversion des neutrons en rayonnements ionisants a Xieu directement dans le contact de blocage. Dans & dispositif prévu pour la spectrométrie des neutrons, on peut utiliser deux détecteurs en.diamant aven leur contact de blocage tournés l'un vers l'autre entre lesquels on dispose le radiateur; par ailleurs, les contacts de blocage sont raccordés aux mêmes moyens d'amplification et d'enregistrement, qui additionnent les signaux de sortie des détecteurs. D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante, donnée à titre d'exemple et faite en se référant au dessin annexé sur lequel - la Fig. 1 montre un schéma du dispositif de détection de neutrons avec un détecteur formé par une plaque en cristal de diamant présentant des contacts de blocage et d'injection; - la Fig. 2 représente schématiquement le dispositif pour la détection des neutrons avec deux détecteurs dont chacun est réali-sé au moyen d'une plaque en cristal de diamant possédant des contacts de blocage et d'injection. Le détecteur 1 de rayonnements nucléaires (Fig. 1) est placé dans un bottier métallique 2 exécuté en un matériau absorbant faiblement les neutrons, par exemple en aluminium. Dans certains cas, le corps peut être en un matériau non métallique, par exemple en verre. Le détecteur 1 est constitué par une plaque 3 en cristal de diamant, sur les faces opposées de laquelle se trouvent des contacts 4 et 5. Le contact 4 est un contact de blocage pour les porteurs de charge, par exemple une pellicule de platine. Le contact 5 est réalisé en un matériau susceptible conjointement avec le diamant, d'injecter des porteurs de charge sous lteffet du champ électrique appliqué et il est formé, par exemple, par une pellicule d'argent. L'épaisseur d du domaine de travail se trouvant entre les contacts 4 et 5 de la plaque 3 ne dépasse pas le parcours des porteurs de charge dans le cristal de diamant sous l'effet du champ électrique appliqué et peut être déterminée au moyen de la formule est la mobilité des porteurs de charge (électrons ou -trous), T est la durée de vie de ces porteurs, E est l'intensité du champ appliqué, est le parcours des porteurs de charge sous l'effet du champ électrique applique. Devant le contact de blocage 4 est placé un radiateur 6 en un matériau sensible aux neutrons. Suivant l'énergie des neutrons à détecter, on peut utiliser divers matériaux pour exécuter le radia teur. Par exemple, pour détecter les neutrons thermiques, on utilise des radiateurs contenant du B ou du Li et on utilise les réactions B10 h . G ) Li7 ou Li6 ( # , &alpha; )H3. Lorsqu'on utilise le phénomone de la fission provoquée par les neutrons, on réalise des radiateurb contenant, par exemple, U233, U235, Pu239 pour la détection des neutrons lents et U 38, Np237, Pa232, Th232 pour détecter les neutrons rapides.Les neutrons rapides peuvent être également détectés en utilisant le phénomène de diffusion des neutrons dans un radiateur en un matériau contenant de lwhydrogène, par exemple en polyéthylene, paraffine ou hydrures de métaux. Alors, pour réduire le bruit de fond provenant des neutrons thermiques, le bottier 2 est entouré d'un écran (non représenté sur le dessin) réalisé, par exemple, en Cd, B10 ou Li6.Pour ralentir les neutrons rapides, lo boîtier est entouré d'un écran exécuté, par exemple en 10 6 n , Li ou on un matdriau-contenant de l'hydrogène, commo, par oxonlplo, on paraffina, et dans certains cas cet écran ost entouré, à son tour, d'un autre écran exécuté, par exemple on Cd, B10 pour éliminer le bruit do fond des neutrons thermiques. Lo détecteur en diamant- a, sur le côté de son contact- de. blocage, un--radiateur sensible aux-neutrons réalisé au moyen de méthodes diverses. La pellicule en polyéthylène peut, par exem- ple, astre simplement collée au contact de blocage. Pour former un radiateur en Li-, on vaporise sous vide sur le contact dé blocage unelpellicule de Li6F. Les matériaux fissibles sont portés sur une face d'une plaque exécutée, par exemple, en aluminium, qui ensuite est fixée par cette face de façon quelconque sur le contact de blocage du détecteur en diamant. A part les méthodes ordinnaires, on peut porter les matériaux fissibles directement sur le contact de blocage par un procédé galvanique. Dans certains cas, le contact de- blocage peut servir lui-même de radiateur. Dans ce but, il est réalisé sous la forme d'une couche superficielle du matériau de carbure sensible aux neutrons, par exemple en carbure de bore enrichi de bore -10. En outre, le contact de blocage du détecteur en diamant peut être réalisé en dopant la couche superficielle de la plaque en diamant avec un matériau son- sible aux neutrons, par exemple avec le bore enrichi de bore -10, ou avec le lithium enrichi de lithium-6. Après un traitement approprié, cette couche devient capable de servir simultanément de contact de blocage et de radiateur. ]!Daras certains cas, le boîtier est rempli avec un gaz sous pression servant de radiateur, par exemple de l'hydrogène contenant comme impureté des gaz lourds, ou le trifluorure de bore enrichi de bore -10, ou d'hélium. Dans ce dernier cas, on a recours à la réaction He3(n,p)H3. Si on utilise un radiateur solide, au contraire, le boîtier est parfois mis sous vide. Le détecteur au-diamant 1 et le radiateur 6 sont fixés sur un support 7 en un matériau conducteur de l'électricité du côté du contact à injection 5, par exemple au moyen d'une pite en argent ayant subi un traitement thermique approprié. Sur le boîtier 2 est soudée une borne métallique 8 prévue pour sa mise à la terre. D'autre part, le boîtier 2 possède deux bornes de sortie métalliques 9 et 10 isolées au moyen de garnitures métal-isolant appropriées. La sortie 9 soudée au support 7, sert à appliquer la tension au détecteur en diamant. La borne de sortie isolée 10 est raccordée par un fil 11 au contact de blocage 4 du détecteur en diamant et est prévue pour prélever les signaux sur le détecteur en diamant. La borne de sortie 9 est raccordée à travers une résistance 12 à une source d'alimentation 13, et la borne de sortie 10 est raccordée à l'entrée d'un amplificateur 14 connecté à un apparéil enregistreur 15. Le dispositif à deux détecteurs en diamant (Fig. 2) est prévu pour la spectrométrie des neutrons et pour mesurer des flux neutroniques, ainsi que pour assurer la détection des neutrons dans un angle de 4 jazz . Il comporte deux détecteurs 1 dé rayonnements nu- cléaires en diamant et montés dans le boîtier 2. Les détecteurs sont constitués par des plaques en cristal de diamant 3 muni de contacts de blocage 4 et d'injection 5. Le contact de blocage 4 de l'un ou des deux détecteurs est muni d'un radiateur 6 en un matériau sensible aux neutrons. Les détecteurs sont placés de telle fa çon que leurs contacts de blocage et le radiateur 6 situé entre eux se trouvent directement en contact. Dans le boîtier est introduit un support métallique 7 auquel est soudée une borne de sortie 8 et possédant deux sorties isolées 9 et 10.La fixation des détecteurs en diamant et l'isolement de leur contact d'injection 5 est réalisée par deux garnitures isolantes 11 et un écrou 12 vissé dans le boîtier. Dans l'une des garnitures sont aménagées des ouvertures pour le passage des fils métalliques raccordant la borne de sortie isolée 10 aux contacts de blocage 4, tandis que la borne de sortie 9 est raccordée aux contacts d'injection 5. Les rayonnements ionisants dus aux réactions nucléaires induites par les neu trons à détecter avec le matériau du radiateur 6, réalisé, par exemple, en Li6F, (dans le cas donné des tritons et deys particules alpha), pénètrent dans les deux détecteurs en diamant. Les impulsions de colncidence prélevées sur ceux-ci sont amplifiées et totalisées par un appareillage approprié.Si on connaît l'amplitude de l'impulsion totale et l'énergie de la réaction, on peut trouver l'énergie des neutrons à détecter. Dans certains cas, les détecteurs en diamant sont installés à une certaine distance l'un de l'autre et leurs contacts de blocage sont orientés l'un vers l'au- tre, tandis que comme radiateur, on utilise un gaz, par exemple Hue3. Le support 7 est parfois doté de trois sorties isolées, dont l'une est raccordée aux contacts d'injection des détecteurs en diamant, et les deux autres aux contacts de blocage correspondants. Les signaux provenant des détecteurs sont amplifiés séparément par un appareillage approprié, puis sont dirigés vers le montage de colncidence. Ceci permet de réduire considérablement le bruit de fond. Le dispositif décrit plus haut fonctionne do la manière suivante. Une tension continue provenant de la source d'alimentation 13 est appliquée au detecteur en diamant 1. Les neutrons à détecter passent à travers le boîtier. 2, pénètrent dans le radiateur 6 et forment dans ce dernier, à la suite des réactions nucléaires, des rayonnements nucléaires. Ces rayonnements ionisants pénètrent dans le détecteur en diamant 1 du côté du contact de blocage 4 et provoquent l'ionisation dans le détecteur. Les porteurs de charge qui y apparaissent à la suite de l'ionisation (les électrons et les trous) sont dirigés vers les contacts 4 et 5 sous l'effet du champ électrique appliqué. Alors, les électrons se déplacent vers le contact d'injection 5 si une tension positive lui est appliquée, tandis que les trous vont au contact de blocage 4. Lors de leur déplacement vers le contact 5, une faible partie des électrons est captée par les pièges, toujours présents dans un cristal de diamant. Par suite, la plaque 3 en cristal de diamant se trouve polarisée. Le contact d'injection 5 est prévu pour éliminer la polarisation. Etant donné qu'il existe dans le diamant des pièges profonds, les courants d'injection provenant du contact 5 sont limités par la charge spatiale reliée à ces pièges, et par conséquent, ne créent ni une conductibilité sensible ni du bruit. Cependant, en cas de perturbation de l'équilibre du champ. et de la charge à l'intérieur de la plaque en cristal de.diamant, par suite d'une polarisation due au bombardement par un rayonnement ionisant, les porteurs de charge (les trous) injectés par le contact 5, rétablissent l'état stationnaire initial du cristal. Lorsqu'ils se déplacent vers le contact 4, une partie des trous peut également être captée par les pièges. Cependant, dans ce cas, les trous captés se trouvent dans la zone d'ionisation et peuvent être neutralisés par des porteurs de charge de signe oppo sé, ctest-à-dire par des électrons. D'autre part, étant donné que dans le domaine du contact de blocage 4, l'intensité du champ électrique est élevée, lorsqu'on détecte des rayonnements nucléaires à haut pouvoir ionisant, les pertes dans le plasma électrons-trous diminuent. Le signal prélevé sur le contact de blocage 4 du détecteur en diamant 1 attaque l'entrée de l'amplificateur 14, puis l'appareil d'enregistrement 15. Ce dernier peut titre, par exemple, un analyseur d'amplitude. Pour assurer lz détection des flux isotropes de neutrons, on peut utiliser deux détecteurs de rayonnements nucléaires en diamant dont les contacts d'injection qui s'appliquent l'un contre l'autre et qui sont munis de radiateurs du côté des contacts de blocage. Pour faire accroitre l'efficacité de détection des neutrons, on compose une mosalque ou bien un empilage avec les détecteurs en diamant indiqués. Pour augmenter l'efficacité de détection des rayonnements ionisants à faible pouvoir de pénétration, par exemple les éclats de fission qui apparaissent par suite de l'interaction des neutrons à détecter avec le matériau du radiateur, le contact de blocage des détecteurs en diamant indiqués est perméable aux rayonnements ionisants mentionnés. Pour réduire la sensibilité par rapport au bruit de fond du rayonnement gamma, les contacts de blocage et d'injection du détecteur en diamant indiqué sont réalisés en un matériau avec un numéro atomique bas. Le détecteur en diamant comportant des contacts d'injection et de blocage et un radiateur peut être également scellé avec de la résine époxyde, des compositions silico-organiques, etc. Le dispositif mis au point pour détecter les neutrons comporte une série d'avantages en comparaison avec les appareils connus. il peut être utilisé pour la spectrométrie et la mesure d'un flux de neutrons, dans les assemblages critiques, à l'intérieur des réac teurs et derrière leur protection, dans les générateurs de neutrons, et peut être également utilisé en qualité de moniteur de neutrons pour diverses études. Grâce à l'utilisation d'un détecteur en diamant, l'appareil possède des caractéristiques de comptage et spectrométriques satisfaisantes, et un rapport signal/bruit élevé, il est portatif, et par conséquent ne déforme par la répartition du flux de neutrons, peut fonctionner à des températures normale et élevée, en pratique ne donne aucune réaction nucléaire, possède une faible sensibilité au bruit de fond de rayonnements gamma. Puisque le détecteur en diamant supporte des températures élevées, on peut périodiquement recuire les défauts qui y apparaissent sous l'action des neutrons, en augmentant de ce fait la résistance de l'appareil à l'irradiation et sa durée de service. - REVENDICATIONS. 1 - Dispositif pour la détection de neutrons comportant un radiateur convertissant les neutrons en rayonnements ionisants, au moins un détecteur de rayonnements nucléaires avec un amplificateur et un appareil d'enregistrement à la sortie et une source d'alimentation du détecteur, caractérisé en ce qu'en combinaison avec le radiateur, on utilise un détecteur de rayonnements nucléaires constitué par une plaque en cristal de diamant avec des contacts se trouvant sur ses faces opposées et qui sont prévus pour appliquer un champ électrique à ladite plaque, celle-ci possédant une. épaisseur de la zone du travail se situant entre lesdits contacts ne dépassant pas le parcours des porteurs de charge dans le cristal de diamant sous l'effet du champ électrique appliqué, en ce que le contact prévu sur la face de la plaque exposée au cours de la détection des neutrons à la radiation des rayonnements ionisants, qui apparaissent à la suite des réactions avec le matériau du radiateur induites par les neutrons, est un contact de blocage pour les porteurs de chargewest raccordé à l'entrée d'un amplificateur avec un appareil enregistreur, et en ce que le contact sur la face oppo sée de la plaque est réalisé en matériau capable conjointement avec le diamant, d'injecter des porteurs de charge sous l'effet du champ électrique appliquézest raccordé à travers une résistance à une source d'alimentation. 2 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le radiateur est constitué par une pellicule en un matériau sensible aux neutrons, capable de convertir les neutrons en rayonnements ionisants, et placé devant le contact du blocage à l'exté- rieur du détecteur en diamant. 3 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le contact de blocage du détecteur en diamant est réalisé en couche superficielle du matériau de carbure sensible aux neutrons, par la suite de quoi la conversion des neutrons en rayonnements ionisants a lieu directement dans le contact de blocage. 4 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le contact de blocage du détecteur en diamant est réalisé sous la forme d'une couche superficielle de la plaque en cristal de diamants dopée avec le matériau sensible aux neutrons, par suite de quoi la conversion des neutrons en rayonnements ionisants a lieu directement dans les contacts de blocage. 5 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte deux détecteurs en diamant dont les contacts de blocage sont dirigés l'un vers l'autre et entre lesquels se trouve un radiateur et en ce que les contacts de blocage sont raccordés aux mêmes moyens d'amplification et dlenregistrement, qui totalisent les signaux de sortie des détecteurs.