Brevet FR2788347A1 — publié le 20000713

Procédé pour analyser un rayonnement neutronique primaire d'une source de neutrons, source de neutrons munie d'un contrôleur de rayon et contrôleur de rayon DESCRIPTION L'invention concerne un procédé pour analyser un rayonnement neutronique primaire d'une source de neutrons, une source de neutrons munie d'un contrôleur de rayon et un contrôleur de rayon pour les rayonnements neutroniques. Pour analyser le rayonnement neutronique primaire d'une source de neutrons, il est connu d'employer des chambres de fission comme contrôleurs de rayon. Les chambres de fission de ce type présentent sur leurs parois internes une mince couche de matériau contenant de l'U235 qui sert à absorber les neutrons. Les neutrons capturés par l'U235 provoquent une fission thermique lors de laquelle les produits de fission souhaités produisent des électrons et des ions dans un gaz qui se trouve dans la chambre de fission. Du fait de la tension électrique appliquée, ces porteurs de charge mobiles produisent une impulsion d'ionisation à l'aide de la laquelle est compté le neutron qui provoque la fission. L'inconvénient des chambres de fission est qu'elles produisent en moyenne trois neutrons MeV rapides ainsi qu'un rayonnement Gamma MeV en plus des produits de fission souhaités lors de la fission thermique. Ce rayonnement neutronique ou Gamma à haute énergie est généralement indésirable dans les sources de neutrons. Une autre influence négative est le fait que le flux des neutrons lents peut être considérablement affaibli par la chambre de fission, car l'absorption de neutrons est inversement proportionnelle à la vitesse des neutrons. Un objet de la présente invention est à présent de mettre à disposition un procédé, une source de neutrons ainsi qu'un contrôleur de rayon du type mentionné en introduction et qui ne présentent pas les inconvénients cités précédemment. Dans le cas d'un procédé du type mentionné en introduction, cet objet est réalisé par le fait qu'une partie des neutrons est diffusée hors du rayonnement neutronique primaire au moyen d'une unité de diffusion qui diffuse les neutrons au moins essentiellement de manière incohérente et qu'une partie des neutrons définissable à l'aide du comportement de diffusion de l'unité de diffusion et des conditions géométriques est acheminée à un dispositif détecteur disposé à l'extérieur du rayonnement neutronique primaire. Ceci permet d'éviter que le rayonnement neutronique primaire ne soit perturbé par une opération de détection nécessaire pour l'analyse de ce rayonnement neutronique. Le rayonnement neutronique primaire peut être efficacement protégé par un blindage contre le rayonnement éventuellement généré dans le dispositif détecteur. La diffusion incohérente des neutrons hors du rayonnement neutronique primaire peut être choisie de manière à ce que l'affaiblissement du rayonnement neutronique primaire soit négligeable. La proportion entre les neutrons diffusés et le nombre total de neutrons dans le rayonnement neutronique primaire peut ainsi être définie, par exemple, à des valeurs comprises entre 10-2 et i10-6. Le procédé conforme à l'invention peut également être réalisé de telle manière que les neutrons soient acheminés dans le dispositif détecteur au travers d'un collimateur de manière à ce que seuls soient détectés les neutrons dont le sens de déplacement est pour l'essentiel parallèle dans une unité de détection disposée derrière le collimateur dans le sens de déplacement des neutrons et que l'impact des neutrons dans l'unité de détection soit constaté avec localisation. Si seuls sont détectés dans l'unité de détection les neutrons qui présentent des sens de déplacement pratiquement parallèles, la détection avec localisation des neutrons dans l'unité de détection permet d'émettre une affirmation à propos de la distribution spatiale des neutrons dans l'unité de diffusion et, de ce fait, dans le rayonnement neutronique primaire. Sens de déplacement pratiquement parallèle veut dire que le sens de déplacement des neutrons détectés diverge par rapport à l'axe du collimateur au maximum selon un angle d'acceptance défini par la structure du collimateur. L'angle d'acceptance, suivant la résolution exigée pour la localisation, peut être défini entre 10-' et 10-2 radian, par exemple. Le procédé conforme à l'invention peut être réalisé de telle manière que dans le cas d'une source de neutrons pulsée les moments de la détection des neutrons dans le dispositif détecteur soient définis et que des spectres de temps de vol soient établis en se référant au moment de production des neutrons. Ceci permet de réaliser une analyse du rayonnement neutronique primaire avec résolution dans le temps. Concernant une source de neutrons munie d'un contrôleur de rayon pour analyser un rayonnement neutronique primaire produit dans la source de neutrons, le contrôleur de rayon comprenant un dispositif détecteur pour détecter les neutrons, l'objet mentionné précédemment est réalisé par le fait que le contrôleur de rayon présente une unité de diffusion disposée dans le passage des rayons du rayonnement neutronique primaire et diffusant au moins de manière essentiellement incohérente et que le dispositif détecteur est disposé à l'extérieur du passage des rayons du rayonnement neutronique primaire et qu'il est prévue pour analyser une partie des neutrons diffusés par l'unité de diffusion. Il peut être avantageux de configurer la source de neutrons conforme à l'invention de manière à ce que le dispositif détecteur comprenne a) un collimateur qui permet uniquement le passage des neutrons dont le sens de déplacement est pratiquement parallèle à l'axe du collimateur, b) une unité de détection disposée derrière le collimateur dans le sens de déplacement des électrons diffusés et appropriée pour la détection des neutrons rencontrés et c) des moyens pour déterminer la localisation des neutrons détectés par l'unité de détection. La source de neutrons conforme à l'invention peut également être configurée de manière à ce que l'unité de détection soit un scintillateur et que pour déterminer la localisation des neutrons détectés derrière le scintillateur dans le sens du déplacement des neutrons qui rencontrent le scintillateur au moins un photomultiplicateur à localisation soit prévu ou plusieurs photomultiplicateurs soient disposés en forme de grille en parallèle au côté du scintillateur qui fait face à l'unité de diffusion. Le scintillateur peut être choisi suffisamment épais de manière à ce que tous les neutrons qui se trouvent dans une bande de longueurs d'onde comprise entre 0,01 et 1 nm soient absorbés au moins à 70 %. Les neutrons absorbés génèrent une impulsion lumineuse qui peut être exploitée par le ou les photomultiplicateur (s). Dans le cas d'une disposition en forme de grille de photomultiplicateurs sans localisation, chaque résultat de détection individuel est associé au photomultiplicateur qui a permis de détecter l'impulsion la plus forte, ce qui permet de garantir la localisation qui sera d'autant plus précise que le nombre de photomultiplicateurs utilisés pour la détection est élevé. En variante, on peut aussi utiliser un photomultiplicateur à localisation. Un photomultiplicateur à localisation permet déjà une localisation de la détection de neutrons sur la zone du scintillateur qu'il contrôle. La source de neutrons conforme à l'invention peut également être configurée de telle manière que l'unité de diffusion soit un film mince, l'axe du collimateur soit perpendiculaire au film de diffusion et la surface de l'unité de détection qui fait face au film de diffusion soit parallèle au film de diffusion. La surface de l'unité de détection que viennent frapper les neutrons étant ainsi parallèle au film de diffusion et les neutrons détectés ayant des sens de déplacement pratiquement parallèles, la course de ces neutrons entre le film de diffusion et l'unité de détection est pratiquement identique, c'est-à-dire indépendante du lieu de diffusion ou du lieu de détection, la sensibilité de localisation du contrôleur de rayon n'étant ainsi pas perturbée par des courses différentes. La source de neutrons conforme à l'invention peut toutefois également être configurée de telle manière que l'axe du collimateur soit perpendiculaire au sens de déplacement des neutrons dans le passage du rayonnement primaire et que la surface de l'unité de détection qui fait face au film de diffusion soit perpendiculaire à l'axe du collimateur. Cette disposition ne permet pas de réaliser un parallélisme entre le film de diffusion et la face de l'unité de détection qui fait face au film de diffusion, ce qui veut dire que l'écart entre l'unité de détection et le film de diffusion varie. Cette variation étant cependant stable dans le temps, elle peut être corrigée par calcul. Du fait qu'avec cette disposition le sens de déplacement des neutrons à détecter dans l'unité de détection est perpendiculaire au tracé du passage du rayonnement primaire, la longueur du contrôleur de rayon, vue dans le sens du rayonnement neutronique primaire, peut être réduite au minimum. Une autre variante possible consiste à disposer en parallèle l'unité de détection et le film de diffusion avec l'axe du collimateur dirigé perpendiculairement au tracé du rayonnement neutronique primaire. Dans ce cas, l'axe du collimateur n'est pas orienté perpendiculairement par rapport au plan du collimateur ou par rapport à la surface d'impact de l'unité de détection. Pour terminer, la source de neutrons conforme à l'invention peut être configurée de telle manière que la source de neutrons soit une source de neutrons à spallation pulsée. Une analyse spectrale et spatiale du rayonnement neutronique primaire est souhaitée, notamment dans le cas des sources de neutrons à spallation pulsées. Dans le cas d'un contrôleur de rayon pour rayonnements neutroniques comprenant un dispositif détecteur approprié pour la détection des neutrons, l'objet mentionné précédemment est réalisé par une unité de diffusion qui diffuse des neutrons au moins de manière essentiellement incohérente. Une diffusion incohérente peut être produite, par exemple, par des films de diffusion en vanadium, en polyéthylène ou en un mélange de titane et d'isotopes qui ne présentent pas ou présentent une très faible réflexion de Bragg. Pour terminer, le contrôleur de rayon conforme à l'invention peut également être configuré de telle manière que le dispositif détecteur comprenne a) un collimateur qui permet uniquement le passage des neutrons dont le sens de déplacement est pratiquement parallèle à l'axe du collimateur, b) une unité de détection disposée derrière le collimateur dans le sens de déplacement des électrons diffusés et appropriée pour la détection des neutrons rencontrés et c) des moyens pour déterminer la localisation des neutrons détectés par l'unité de détection. Des formes de réalisation et de configuration avantageuses du procédé conforme à l'invention ou de la source de neutrons conforme à l'invention et du contrôleur de rayon conforme à l'invention sont représentées dans ce qui suit au moyen de deux figures. Celles-ci illustrent schématiquement: Figure 1 Des parties d'un contrôleur de rayon dans le passage du rayonnement primaire d'une source de neutrons et Figure 2 Des parties d'un contrôleur de rayon ayant une géométrie différente de celui de la figure 1. Dans les figures 1 et 2, un rayonnement neutronique primaire 1 d'une source de neutrons non illustrée dans son intégralité est représenté par des flèches. Le rayonnement neutronique primaire 1 vient rencontrer un contrôleur de rayon 2 dont le boîtier 3 est seulement symbolisé dans les figures. Dans le contrôleur de rayon 2, le rayonnement neutronique primaire 1 rencontre un film de diffusion 4 en vanadium, en polyéthylène ou en un mélange de titane et d'isotopes qui diffuse les neutrons thermiques du rayonnement neutronique 1 d'une manière essentiellement incohérente, c'est - à - dire sans réflexion de Bragg. Du fait de la diffusion essentiellement incohérente, les neutrons diffusés 5, qui sont ici également représentés par des flèches, sont envoyés dans l'espace de manière isotrope. Avec un film en vanadium ayant une épaisseur de 0,1 mm, par exemple, la proportion de neutrons 5 diffusés de manière incohérente par rapport au nombre total de neutrons dans le rayonnement neutronique primaire 1 est de 5x 10-3. Les trois tableaux suivants contiennent l'affaiblissement du rayon et la proportion de neutrons diffusés pour trois longueurs d'onde et quatre épaisseurs de film dans les matériaux mentionnés précédemment pour le cas où les films sont disposés selon un angle de 45 par rapport au tracé du rayonnement neutronique primaire 1. Les grandeurs indiquées dans les tableaux sont : Vc : volume de la cellule élémentaire du matériau utilisé, bcoh : longueur de diffusion cohérente, #coh, #inc : section efficace pour la diffusion cohérente, respectivement incohérente, zinc = #me / Vc, abs : coefficient d'absorption et # : longueur d'onde. FILMS EN VANADIUM V = 14,14. 10 -24 cm' bcoh= -0,051.10-'2 cm 6 h - 0,033 barn o"" = 5,07 barn o""'/o""= = 0,6 % u.bs(O.1 nm) = 0,185 cm"1 Line = 0,359 cm'! Épaisseur du film 0,001 mm 0,01 mm 0,1 mm 1 mm Affaiblissement du rayon par absorption pour , = 0,01 nm 1-2,6. 10-" 1-2,6.10-' 1-2,6. 10-" 0,9974 # = 0,1 nm 1-3,6.10-' 1-2,6.10-4 0,9974 0,974 # = 1,0 nm 1-2,6.10-4 1-2,6.10-' 0,974 0,74 Proportion de neutrons diffusés de manière incohérente S 5,0.10-' 5,0.10 5,0.10-' 0,050 Tableau 1 FILMS EN POLYETHYLENE V(CH2) = 25,8.10-24 cm' bcoh = -0,095.10'12 cm #coh = 0, Ilbarn #mc = 160 bam #coh/mc = 0,06 % (0,1nm) = 0,007 cm-' #mc = 6,2 cm-1 Épaisseur du film 0,001mm 0,01 mm 0,1 mm 1 mm Affaiblissement du rayon par absorption pour X = 0,01 mn 1-1.10-' 1-1.10-' 1-1.10-' 1-1.10-4 , = 0,1 nm 1-1.10-6 1-1.10-5 1-1.10 1- I .10-' . = 1,0 run 1-1.10-5 1-1.10-' 10-4 1-1.10-' i-i.io-, Proportion de neutrons diffusés de manière incohérente S 0,00087 0,0087 0,087 0,87 Tableau 2 MELANGE DE TITANE ET D'ISOTOPES avec 48Ti --- et 50Ti avec longueurs de diffusion cohérentes -0,58.10-'z et 0,55.10-'' proportions relatives 48,7% et 51,3% avec spin nucléaire --------0 et 0 avec sections d'absorption o(0,l nm) 4,29 barn et 0,14 barn Vc = 18,9. 10-24 cm3 bcoh = ~0,0010.10-'2 cma " = 0,00 bam #mc = 4,01 barn #coh/#mc = 0,0 % (0,1 nm) = 0,116 cm-1 Zinc = 0,21 cm-1 Épaisseur du film 0,001 mm 0,01 mm 0,1 mm 1 mm Affaiblissement du rayon par absorption pour , = 0,01 mn 1,6.10-6 1,6.10-5 1,6.10-4 1,6.10-' , = 0,1 nm 1,6.10-5 1,6.10-4 1,6.10-' 1,6.10-2 , = 1,0 nm 1,6.10-4 1,6.10-3 1,6.10-z 1,6.10-' Proportion de neutrons diffusés de manière incohérente S 2,9.10-5 2,9.10-4 0,0029 0,029 Tableau 3 La proportion de diffusion incohérente peut encore être considérablement augmentée dans le cas des films de diffusion 4 en vanadium ou en titane par de l'hydrogène dissous de manière interstitielle. Un dispositif détecteur 6 qui fait partie du contrôleur de rayon 2 est disposé à l'extérieur du rayonnement neutronique primaire 1. Le dispositif détecteur 6 se compose d'un collimateur de Soller 7, d'un scintillateur 8 et de plusieurs photomultiplicateurs 9 qui sont disposés en forme de grille derrière le scintillateur 8 dans le sens de déplacement des neutrons diffusés 5. Les neutrons diffusés 5 qui rencontrent le scintillateur 8 produisent chacun un éclair lumineux dans le scintillateur 8, lequel peut être enregistré à l'aide des photomultiplicateurs. Le neutron ainsi détecté est associé à la zone du scintillateur 8, lequel se trouve audessus du photomultiplicateur 9, qui a délivré le signal le plus fort. Ceci permet de réaliser une localisation des neutrons détectés dans le scintillateur 8. Le collimateur 7 a pour effet que seuls atteignent le scintillateur 8 les neutrons diffusés 5 dont le sens de déplacement diverge au maximum d'un angle d'acceptance par rapport à l'axe du collimateur 7. L'angle d'acceptance est défini entre 10-' et 10-2 radian, suivant la résolution exigée pour la localisation. NSz neutrons viennent ainsi rencontrer le scintillateur 8 pendant une période t, NSz étant défini par NSz = #nFts[[alpha]2/4#]. Dans cette équation, #n est le flux de neutrons primaire, F sa section et t le temps d'intégration. La proportion de neutrons qui atteignent le scintillateur est donc : Ns, / nFt =S[CC2 /47t] = 10-' ... 10-" Le scintillateur 8 est un scintillateur au verre 6Li courant du commerce ayant une épaisseur de 10 mm. Avec cette épaisseur, les neutrons rencontrés à l'intérieur de la bande de longueurs d'onde entre 0,01nm et 1 nm sont absorbés au moins à 70 % pour produire une impulsion lumineuse exploitable. Un tel pouvoir absorbant permet de garantir une sensibilité spectrale régulière. La distribution spectrale des neutrons dans le rayonnement neutronique primaire 1 peut être déterminée par le biais d'une mesure du temps de vol. Pour une mesure du temps de vol, il faut déterminer à quel moment un neutron a été détecté dans le scintillateur et à quel moment ce neutron a été généré dans la source de neutrons. Dans le cas des sources de neutron à spallation pulsées, le moment de génération résulte de l'impact des protons sur la cible de la source de neutrons. La résolution spectrale ##/# est d'environ 4.10-4 pour un écart de 10 m entre la source de neutrons et le contrôleur de rayon et une longueur d'onde moyenne ?, = 0,1 nm. Le trajet total entre la source de neutrons et le scintillateur 8 pouvant légèrement varier en fonction de l'endroit où se trouve le neutron concerné dans la section du rayonnement, une légère correction dans temps est nécessaire pour obtenir des spectres de temps de vol comparables. Dans la figure 1, le film de diffusion 4, le collimateur 7 et le scintillateur 8 sont disposés en parallèle les uns par rapport aux autres. Cette disposition permet de garantir, avec un matériau homogène du film de diffusion 4, un collimateur 7 homogène et un matériau homogène du scintillateur 8, que la probabilité de détection des neutrons est indépendante du lieu. Le parallélisme presque parfait du sens de déplacement des neutrons diffusés 5 détectés par le scintillateur 8 permet en outre d'obtenir une indication sur la localisation des neutrons dans le rayonnement neutronique primaire 1 au moyen de la détection localisée dans la zone du scintillateur 8. Dans la figure 2, le film de diffusion 4 et le scintillateur 8 ne sont pas disposés en .parallèle. La probabilité de détection au niveau du scintillateur 8 n'est donc plus indépendante du lieu. La dépendance du lieu étant toutefois stable dans le temps, la sensibilité de détection peut être facilement corrigée par calcul. La structure géométrique du contrôleur de rayon 2 selon la figure 2 a pour avantage que la longueur du contrôleur de rayon 2 dans le sens du rayonnement neutronique primaire 1 peut être la plus courte possible. Avec cette disposition, les neutrons détectés 5 ont un sens de déplacement perpendiculaire à celui des neutrons dans le rayonnement neutronique primaire 1. NOMENCLATURE 1 Rayonnement neutronique primaire 2 Contrôleur de rayon 3 Boîtier 4 Film de diffusion 5 Neutrons diffusés 6 Dispositif détecteur 7 Collimateur de Soller 8 Scintillateur 9 Photomultiplicateur REVENDICATIONS 1. Procédé pour analyser un rayonnement neutronique primaire (1) d'une source de neutrons, avec lequel une partie des neutrons est diffusée hors du rayonnement neutronique primaire (1) au moyen d'une unité de diffusion (4) qui diffuse les neutrons au moins de manière essentiellement incohérente, et une partie des neutrons qui peut être déterminée par le comportement de diffusion de l'unité de diffusion (4) et les conditions géométriques est acheminée à un dispositif détecteur (6) disposé à l'extérieur du rayonnement neutronique primaire (1). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les neutrons sont acheminés dans le dispositif détecteur (6) à travers un collimateur (7) de manière à ce que seuls soient détectés les neutrons dont le sens de déplacement est pratiquement parallèle dans une unité de détection (8) disposée derrière le collimateur (7) dans le sens de déplacement des neutrons et que l'impact des neutrons dans l'unité de détection (8) est déterminé avec localisation. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que dans le cas d'une source de neutrons pulsée les moments de détection des neutrons dans le dispositif détecteur (6) sont déterminés et que les spectres des temps de vol sont établis en se référant au moment de production des neutrons. 4. Source de neutrons munie d'un contrôleur de rayon (2) pour analyser un rayonnement neutronique primaire (1) produit dans la source de neutrons, le contrôleur de rayon (2) comprenant un dispositif détecteur (6) pour détecter les neutrons, caractérisé par le fait que le contrôleur de rayon (2) présente une unité de diffusion (4) disposée dans le passage du rayonnement neutronique primaire (1) et qui diffuse les neutrons au moins de manière essentiellement incohérente et que le dispositif détecteur (6) est disposé à l'extérieur du passage du rayonnement neutronique primaire (1) et qu'il est prévu pour analyser une partie des neutrons diffusés par l'unité de diffusion (4). 5. Source de neutrons selon la revendication 4, caractérisée par le fait que le dispositif détecteur (6) comprend a) un collimateur (7) qui permet uniquement le passage des neutrons dont le sens de déplacement est pratiquement parallèle à l'axe du collimateur, b) une unité de détection (8) disposée derrière le collimateur (7) dans le sens de déplacement des électrons diffusés et appropriée pour la détection des neutrons rencontrés et c) des moyens (9) pour déterminer la localisation des neutrons détectés par l'unité de détection. 6. Source de neutrons selon la revendication 5, caractérisée par le fait que l'unité de détection (8) est un scintillateur et qu'au moins un photomultiplicateur à localisation est prévu derrière le scintillateur (8) dans le sens de déplacement des neutrons qui viennent rencontrer le scintillateur (8) ou plusieurs photomultiplicateurs sans localisation (9) sont disposés en forme de grille parallèlement au côté du scintillateur qui fait face à l'unité de diffusion pour déterminer la localisation des neutrons. 7. Source de neutrons selon la revendication 5 ou 6, caractérisée par le fait que l'unité de diffusion (4) est un film mince, que l'axe du collimateur est perpendiculaire au film de diffusion (4) et que la surface de l'unité de détection (8) qui fait face au film de diffusion (4) est parallèle au film de diffusion (4). 8. Source de neutrons selon la revendication 5 ou 6, caractérisée par le fait que l'axe du collimateur est perpendiculaire au sens de déplacement des neutrons dans le passage du rayonnement primaire (1) et que la surface de l'unité de détection (8) qui fait face au film de diffusion (4) est perpendiculaire à l'axe du collimateur. 9. Source de neutrons selon l'une des revendications 3 à 8, caractérisée par le fait que la source de neutrons est une source de neutrons à spallation pulsée. 10. Contrôleur de rayon pour rayonnements neutroniques, comprenant un dispositif détecteur (6) approprié pour la détection des neutrons, caractérisé par une unité de diffusion (4) qui diffuse les neutrons au moins de manière essentiellement incohérente. 11. Contrôleur de rayon selon la revendication 10, caractérisé par le fait que le dispositif détecteur (6) comprend a) un collimateur (7) qui permet uniquement le passage des neutrons dont le sens de déplacement est pratiquement parallèle à l'axe du collimateur, b) une unité de détection (8) disposée derrière le collimateur (7) dans le sens de déplacement des électrons diffusés et appropriée pour la détection des neutrons rencontrés et c) des moyens (9) pour déterminer la localisation des neutrons détectés par l'unité de détection (8).