Brevet FR2377643A1 — publié le 19780811

L'invention est relative aux procédés et dispositifs de détection de neutrons L'un des objets de l'invention est due fournir des capteurs linéaires du genre précité, de dimensions extrêmement faibles qui permettent, par conséquent de détecter un faisceau de très petite section et de reconstruire une image ( ligne par ligne ) par des procédés de balayage (scanning). Un autre objet de l'invention est de fournir des capteurs surfaciques des genres précités permettant d'analyser la répartition d'un rayonnement neutronique avec une excellente définition. Les dispositifs précités peuvent être associés à des moyens d'affichage ou de mémorisation de données, déjà. conçues --pour des dispositifs mettant en oeuvre des capteurs de rayonnement du genre connu, tels que des chambres a fils. L'autre possibilité est de fournir des dispositifs du genre précité qui constituent, de par leur conception, des mémoires vives de répartition de rayonnement, c'est à dire qui affichent les dites données après la durée jugée -nécessaire par l'opérateur et que l'on puisse réarmer, c'est à dire remettre en condition de mesure, quasi-instantanément. Les détecteurs de neutrons à bonne résolution spatiale, sont nécessaires en de nombreux domaines, et plus particulièrement pour l'expérience de diffraction neutronique. Malheureusemént, les pertes énergétiques de neutrons sont négligeables ( la charge de neutrons est nulle) et la détection de neutrons demande des modifications profondes de détecteurs classiques. I1 devient nécessaire d'utiliser des convertisseurs ( éléments qui absorbent les neutrons et émettent l-es particules chargées qui sont détectées ). Par exemple, on peut utiliser la réaction, He (n,p)T, par laquelle le neutron absorbé par l'helium 3 devient le proton. Les réactions X+n-s(X+I) + &gamma; dans lequelles les photons d'haute énergie sont émis, peuvent être utiles.Les isotopes qui ont une très haute section efficace pour l'absorbtion de neutrons, et qui émettent des photons sont Cd113,Sm149,Sm150,Eu151,Gd155,Gd157,Hf174,Hg196et Hg199. Ces réactions sont rarement utilisées pour les raisons suivantes: les isotopes sont assez chères; les photons émis sont de très haute énergie, et peuvent donc être absorbés seulement par une épaisseur de matière importante, c'est à dire que la résolution spatiale du détecteur basé sur cette réaction est mauvaise. Les réactions: Li6( n, alpha)H et B10(n, alpha)Li7 sont utilisées le plus souvent dans la détection de neutrons. Dans certaines applications on pekit utiliser la fission de noyaux lourds, par exemple U235+ n- > produits de fission + 270 MeV. Techniquement la principale difficulté de la détection des neutrons est due au petit parcours moyen ( inférieur à 0,01 g/cm) de particules chargées, émises quand on utilise les réactions avec Li6,B10 ou noyau lourd. Donc on est obligé d'utiliser Li6,B10 ou les noyaux lourds (ou leurs composants) avec une petite densité. Les nombreuses combinaisons de convertisseurs de neutrons et de détecteurs de particules chargées, ont-été construites. La meilleure semble être l'utilisation des réactions avec He3 et B avec Helium gazeux et Boron sous forme du gaz BF3. La principale limitation de ce détecteur, est la médiocre efficacité dûe à la très petite densité du gaz. De plus, la résolution spatiale dudit détecteur est plus mauvaise que 2 mm. Par la suite, nous utiliserons souvent le terme "matériau diélectrique sensible aux neutrons". Nous en entendons par celà un matériau diélectrique quelconque, chargé d'au moins un des isotopes suivants: He3,Li6B10,Cd113,Sm149, Sm150,Eu151,Gd155,Gd157,Hf174,Hg196,Hg199 et d'isotopes fissionnables du noyaux lourd La charge peut être sous forme granulaire d'éléments purs ou d'un de leurs composants. Dans le cas des isotopes Li6,B10 ou des isotopes fissionnables du noyau lourd, le diamètre des grains doit être inférieur a 100 micrometerres. I1 faut signaler, que l'helium liquide entre dans la catégorie des " matériaux diélectriques sensibles aux neutrons". L'invention met en oeuvre les propriétés des matériaux supraconducteurs. On sait que les propriétés liées à l'état de supraconductivité sont affectées par les champs magnétiques et par la température dans ces matériaux. Plus particulièrement, les propriétés liées à l'état de supraconductivité dans les métaux purs présentent des transitions du premier ordre qui sont affectées d'hystérésis au voisinage de la valeur critique du champ magnétique. Lorsque l'on fait croître l'intensité du champ entourant le matériau à l'état supraconducteur en partant d'une valeur inférieure à la valeur critique, la supraconductivité ainsi que l'effet Meissner - autrement dit l'effet d'écrantage ou d'exclusion du champ magnétique - persistent au delà de ladite valeur critique, et les matériaux se trouvent alors dans un état métastable souvent appelé - "état de surchauffe".Cet état du surchauffe peut être obtenu dans une suspension de petits grains dans un matériau diélectrique ou par évaporation d'une matrice de petits domaines de matériaux supraconducteurs. On a déjà montré que l'état de surchauffe de grains homogènes d'un matériau supraconducteur de premier espace (métal pur) est brusquement annihilé par une radiation alpha, beta ou gamma qui provoque la transition vers l'état normal. On sait aussi que l'état de films minces du supraconducteur peut être changé par une radiation alpha ou par les produits de la fission de noyaux lourds On peut détecter des neutrons en utilisant des éléments fissionnables > Uranium ou Bismuth par exemple, qui dans certaines conditions deviennent supraconducteurs. On peut aussi utiliser des alliages d'Uranium ou de Bismuth avec des métaux supraconducteurs ou non. Il y a aussi des métaux, par exemple Sn,In,Rg et Pb qui sont supraconducteurs même dans un alliage atteignant 30% de Lithium, Boron, Bismuth ou Uranium. Dans tous les cas cidessus, la totalité d'énergie de réaction induite par les neutrons est deposé dans les supraconducteurs, et le grain ou le film supraconducteur peut changer d'état. D'une-autre façon, les films ou les grains supraconducteurs peuvent être placés à l'intérieur, sur la surface, ou dans un voisinage très proche-des "matériaux diélectriques sensibles aux neutrons". En ce cas, quelques photons, particules alpha ou les produits de fission, seront arretés avant de toucher les grains ou les films supraconducteurs. Le principal avantage de l'utilisation des grains supraconducteurs consiste en ce que la distance moyenne entre les grains est très petite, typiquement inférieure à 50 micromètres. Les grains supraconducteurs doivent être en suspension à l'intérieur des "matériaux diélectriques sensibles aux neutrons". Dans le cas de He3,Li7 ou B10, ou leurs composants, le parcours moyen des protons ou particules alpha est plus petit que la distance moyenne entre les grains.Donc la majorité des particules chargées émises sera stoppée à l'intérieur des grains supraconducteurs, parce que les grains sont beaucoup plus denses, par exemple (Sn)- = 7.3 g/cc et (Li)- 0.53g/cc. La détection de neutrons quand on a utilisé les éléments fissionnable, est dûe à la propagation de chaleur. Il faut signaler que la chaleur spécifique du matériau est très petite à très basse température, parce que Cv#T ou Cv est la chaleur spécifique, et T est la température en OK. Donc, la déposition de quelques centaines de MeV dûe à la fission ( par exemple, 270 MeV pour U235) augmentera la température par l'apport de K à l'intérieur d'une sphère d'un diamètre de 100 micrometres. Cette augmentation locale de température change l'état des grains ou des films supraconducteurs qui se trouvent dans redit voisinage de l'endroit ou le neutron a été absorbé. Enfin, les grains de Li7,B10 ou d'éléments fissionnable ( ou les grains de "matériaux diélectriques sensibles aux neutrons" basés sur les isotopes ci-dessus) peuvent être couverts d'une couche mince et homogène de supraconducteurs. L'épaisseur de cette couche de matériaux supraconducteurs doit être inférieure à 50 micromètres. Dans ce qui suit, les grains préparés ainsi seront appelés "les grains fourrés d'un matériau sensible aux neutrons". Dans le cas ou le neutron est stoppé à l'inférieur dudit grain, la chaleur se propage à la surface, et amorce la transition de l'état supraconducteur à l'état normal. L'électronique qui sera utilisée pour détecteur les changements d'état du film, est sensible à la variation de résistivité. La transition des grains de l'état supraconducteur à l'état normal est suivi par l'impulsion de flux magnétique à l'intérieur du grain. Alors la perméabilité magnétique des matériaux est localement changée et peut être détectée par le système de mesure approprié. Le signal est proportionnal à 1 - 2 ou 1 et 2 sont respectivement la perméabilité magnétique à 1 état normal et supraconducteur. En fait, 2=0 en n'importe quel grain totalement couvert par le supraconducteur. I1 est utile que 1 soit aussi grand que possible. Les grains ferromagnétiques ou ferrimagnetique peuvent être couverts par le supraconducteur, en utilisant par exemple le processus de dépôt sous vide. Les grains ferromagnétiques ou ferrimagnétiques couverts du supraconducteurs peuvent etre utilisés pour la détection de neutrons, photons de haute énergie, ou; particules chargées. Par la suite, les grains ci-dessus seront appelés "grains fourrés avec des matériaux de haute perméabilité magnétique". REVENDICATIONS 1) Procédé de détection de neutrons, caractérisé en ce que l'on met en oeuvre pour le détecter le phénomène de transition de grains ou de films homogènes d'un matériau supraconducteur vers l'état normal, sous l'effet d'un photon ou d'une particule chargée (électron, proton, particules alpha, produit de fission) emis'e quand le neutron est absorbé par un matériau quelconque. 2) Dispositif de détection de neutrons comportant un récepteur de neutrons et des moyens de détection de signaux de réception délivrés par le récepteur, caractérisé en ce que le récepteur comporte - un milieu qui absorbe les neutrons et émet la radiation électromagnétique, ou au moins une particule chargée ( électron, proton, particules alpha,produit de fission d'un noyau lourd) - un capteur dudit photon ou de la particule chargée constitué par au moins un grain ou un film d'un matériau supraconducteur; - un cryostat pour maintenir la température du matériau supraconducteur en dessous de la valeur critique; - des moyens pour engendrer dans la zone d'espace occupée par la capteur un champ magnétique de valeur déterminée pour maintenir le matériau en état supraconducteur en l'absence de rayonnement:: - au moins un organe ou circuit de mesure d'une grandeur ou d'une variation de grandeur liée à l'état du matériau pour détecter la transition dudit matériau de l'état supraconducteur vers l'état normal, par exemple la variation de la resistivité, de la perméabilité magnétique ou la variation du flux magnétique. 3) Capteur de neutrons selon la revendication 2 caractérisée en ce que le matériau diélectrique contient une charge d'au moins un isotope à grande section efficace pour l'absorktion des neutrons par exemple les isotopes des éléments suivant: He, Li,B, éléments fissionnables, Hg,Gd,Sm,Eu,Cd or In, sous dorme pure ou sous forme d'un composé chimique. 4) Capteur de neutrons selon les revendications 2 et 3 caractérisée en ce que les eléments Li et B sont présents sous forme de grains de dimensions au plus égales à 20 micrometres et le Bi, l'Uranium, le Pu sous forme de grains de dimensions au plus égales à 100 micrometres. 5) Capteur de neutrons selon la revendication 2 caractérisé en ce que le matériau supraconducteur est du Bismuth, de l'Uranium ou un des ses alliages. 6) capteur de neutrons selon les revendications 2 caractérisé en ce que le matériau suprconducteur est un alliage d'un supraconducteur quelconque avec du Lithium, du Boron, du Bismuth ou de l'Uranium. 7) Capteur de neutrons selon la revendication 2 caractérisé en ce que les supraconducteurs sont en forme de fils noyés dans la masse du matériau diélectrique sensible aux neutrons 8) Capteur de neutrons selon la revendication 2 caractérisé en ce que les bandes minces de largeur au plus égale à 100 micromètres sont obtenues par un dot métallique sous vide sur la surface d'une plaque de "matériau diélectrique sensible aux neutrons 9) Capteur de neutrons selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une plaque de "matériau dielectrique sensible aux neutrons" d'une épaisseur au plus égale à 200 micromètres couverte de deux réseaux croisés-de bandes de matériaux supraconducteurs selon la revenducation 8. 10) Capteur de neutrons selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un cylindre supraconducteur de diamètre extérieur inférieur à 200 micromètres et d'épaisseur inférieure à 50 micromètres, ledit cylindre étant rempli du matériau diélectrique sensible aux neutrons 11) La réalisation particulière du capteur de neutrons selon la revendication 2, caractérisée en ce que le "matériau diélectrique sensible aux neùtrons", estsous forme de fil, et est couvert d'un supraconducteur, par exemple par depot sous vide. 12) Capteur de neutrons selon une ou plusieurs revendication de 2 à 11, caractérisé en ce que le changement d'état est détecté par la variation de resistivité du matériau supraconducteur quand il devient normal. 13) Capteur de neutrons selon la revendication 2, caractérisé en ce qu il est constitué par une dispersion homogène de grains d'un supraconducteur dans la masse du "matériau diélectrique sensible aux neutrons 14) Capteur de neutrons selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est constitué par la dispersion homogène de "grains fourrés du matériau sensible aux neutrons" dans un matériau diélectrique. 15) Réalisation particulière du dispositif selon les revendications 2,13 et 14, caractérisée en ce qu'une boucle détectrice est déplacée sur la surface du détecteur et mesure la perméabilité magnétique du matériau. 16) Dispositif de détection de neutrons selon les revendications 2,13,14 et 15 caractérisé en ce que le circuit de mesure comporte au moins une bobine consistant d'au moins une spire, entourant un grain au moins d'un materiau supraconducteur et des moyens pour détecteur un signal de tension induit dans la bobine lors de la variation du flux magnétique liée à la transition du matériau supra conducteur à l'état normal. 17) Dispositif de détection de neutrons selon les revendications 2,13,14 et 15 caractérisé en ce que le circuit de mesure comporte au moins une bobine consistant d'au moins une spire partiellement entourant un grain d'un matériau supraconducteur, et des moyens pour détecter- la modification du coefficient de self de la bobine > liée à la pénétration du flux magnétique quand le grain ( les grains), transistent à l'étant normal. 18) Réalisation particulière du circuit de mesure selon la revendication 17 caractérisé en ce que ledit circuit de mesure est un circuit résonnant dont l'élément selfique est la bobine, et que ledit circuit comporte des moyens pour détecter le changement de fréquence de résonnance du circuit. 19) Réalisation particulière du circuit de mesure selon la revendication 17, caractérisée en ce que ledit circuit-de mesure est une ligne à retard dont l'élément selfique est la bobine, et que ledit circuit comporte des moyens pour détecter le retard et (ou) le changement de forme d'un signal de tension introduit à l'entrée de la ligne de retard. 20) Réalisation particulière du dispositif de détection des neutrons selon les revendications 2,12 ou 13,17 ou 18, Earactérisé en ce que ledit circuit de mesure est un réseau de boucles de petites dimensions et est déplacé mécanique- ment sur la surface de la plaque du "matériau diélectrique sensible aux neutrons' et qu'il comporte en outre des moyens pour convertir les signaux délivrés par les boucles en signaux numériques, pour mémoriser lesdits signaux à des adresses correspondant aux emplacements des boucles dans l'espace et pour délivrer des informations simultanément à un organe d'inscription, d'affichage ou d'enregistrement. 21) Réalisation particulière du dispositif de détection des neutrons, photons ou particules chargées, caractérisées en ce que les "grains fourrés -avec du matériau'de haute perméabilité magnétique" sont utilisés.