Qu’est-ce que la détection des neutrons – Définition

Les neutrons ne sont pas directement ionisants et ils doivent généralement être convertis en particules chargées avant de pouvoir être détectés. Détection de neutrons. Dosimétrie des rayonnements
détection de neutrons
Généralement, chaque type de détecteur de neutrons doit être équipé d’un convertisseur et de l’un des détecteurs de rayonnement conventionnels.
Source: large.stanford.edu

La détection des neutrons est très spécifique, car les neutrons étant des particules électriquement neutres,  ils sont donc principalement soumis à de fortes forces nucléaires mais pas à des forces électriques. Par conséquent, les neutrons ne sont pas directement ionisants et ils doivent généralement être convertis en particules chargées avant de pouvoir être détectés. Généralement, chaque type de détecteur de neutrons doit être équipé d’un convertisseur (pour convertir le rayonnement neutronique en rayonnement commun détectable) et de l’un des détecteurs de rayonnement conventionnels (détecteur à scintillation, détecteur gazeux, détecteur semi-conducteur, etc.).

Convertisseurs de neutrons

À cet effet, deux types fondamentaux d’interactions neutroniques avec la matière sont disponibles:

  • Diffusion élastique . Le neutron libre peut être diffusé par un noyau, transférant une partie de son énergie cinétique au noyau. Si le neutron a suffisamment d’énergie pour disperser les noyaux, le noyau en recul ionise le matériau entourant le convertisseur. En fait, seuls les noyaux d’ hydrogène et d’hélium sont suffisamment légers pour une application pratique. La charge produite de cette manière peut être collectée par le détecteur conventionnel pour produire un signal détecté. Les neutrons peuvent transférer plus d’énergie aux noyaux légers. Cette méthode convient à la détection de neutrons rapides (les neutrons rapides n’ont pas une section efficace élevée pour l’absorption) permettant la détection de neutrons rapides sans modérateur .
  • Absorption des neutrons . Il s’agit d’une méthode courante permettant la détection de neutrons de l’ ensemble du spectre énergétique . Cette méthode est basée sur une variété de réactions d’absorption ( capture de rayonnement , fission nucléaire , réactions de réarrangement, etc.). Le neutron est ici absorbé par un matériau cible (convertisseur) émettant des particules secondaires telles que des protons, des particules alpha, des particules bêta, des photons ( rayons gamma ) ou des fragments de fission. Certaines réactions sont des réactions de seuil (nécessitant une énergie minimale de neutrons), mais la plupart des réactions se produisent aux énergies épithermale et thermique. Cela signifie que la modération des neutrons rapides est nécessaire, ce qui entraîne une mauvaise information énergétique des neutrons. Les noyaux les plus courants pour le matériau du convertisseur neutronique sont:
    • 10 B (n, α). Lorsque la section efficace de capture des neutrons pour les neutrons thermiques est σ = 3820 barns et que le bore naturela une abondance de 10 B 19,8%.
    • 3 Il (n, p). Lorsque la section efficace de capture des neutrons pour les neutrons thermiques est σ = 5350 barns et que l’hélium naturel a une abondance de 3 He 0,014%.
    • 6 Li (n, α). Lorsque la section efficace de capture des neutrons pour les neutrons thermiques est σ = 925 barns et que le lithium naturel a une abondance de 6 Li 7,4%.
    • 113 Cd (n, ɣ). Lorsque la section efficace de capture des neutrons pour les neutrons thermiques est σ = 20820 barns et que le cadmium naturela une abondance de 113 Cd 12,2%.
    • 235 U (n, fission). Lorsque la section efficace de fission pour les neutrons thermiques est σ = 585 barns et que l’uranium naturel a une abondance de 235 U 0,711%. L’uranium en tant que convertisseur produit des fragments de fission qui sont de lourdes particules chargées. Cela a un avantage significatif. Les particules lourdes chargées (fragments de fission) créent un signal de sortie élevé, car les fragments déposent une grande quantité d’énergie dans un volume sensible au détecteur. Cela permet une discrimination facile du rayonnement de fond (rayonnement gamma ei). Cette caractéristique importante peut être utilisée par exemple dans une mesure de puissance de réacteur nucléaire, où le champ neutronique s’accompagne d’un fond gamma important.

Détection de neutrons thermiques

Les neutrons thermiques sont des neutrons en équilibre thermique avec un milieu environnant de température 290K (17 ° C ou 62 ° F). L’énergie la plus probable à 17 ° C (62 ° F) pour la distribution maxwellienne est de 0,025 eV (~ 2 km / s). Cette partie du spectre d’énergie des neutrons constitue la partie la plus importante du spectre dans les réacteurs thermiques .

Les neutrons thermiques ont une section efficace d’absorption des neutrons différente et souvent beaucoup plus grande ( fission ou capture radiative ) pour un nucléide donné que les neutrons rapides.

En général, il existe de nombreux principes de détection et de nombreux types de détecteurs. Dans les réacteurs nucléaires, les détecteurs à ionisation gazeuse sont les plus courants, car ils sont très efficaces, fiables et couvrent une large gamme de flux neutroniques. Différents types de détecteurs à ionisation gazeuse constituent ce que l’on appelle le  système d’instrumentation nucléaire d’Excore (NIS) . Le système d’instrumentation nucléaire d’Excore surveille le niveau de puissance du réacteur en  détectant les fuites  de neutrons du cœur du réacteur.

Détection de neutrons à l’aide d’une chambre d’ionisation

Les chambres d’ionisation sont souvent utilisées comme dispositif de détection des particules chargées. Par exemple, si la surface intérieure de la chambre d’ionisation est recouverte d’une fine couche de bore, la réaction (n, alpha) peut avoir lieu. La plupart des réactions (n, alpha) des neutrons thermiques sont des réactions  10B (n, alpha) 7Li  accompagnées de 0,48 MeV (n, alpha) réactions de 10B

De plus, l’isotope bore-10 a une section efficace de réaction (n, alpha) élevée sur tout  le spectre d’énergie neutronique . La particule alpha provoque l’ionisation à l’intérieur de la chambre et les électrons éjectés provoquent d’autres ionisations secondaires.

Une autre méthode pour détecter les neutrons à l’aide d’une chambre d’ionisation consiste à utiliser le trifluorure de bore gazeux   (BF 3 ) au lieu de l’air dans la chambre. Les neutrons entrants produisent des particules alpha lorsqu’ils réagissent avec les atomes de bore dans le gaz détecteur. L’une ou l’autre méthode peut être utilisée pour détecter des neutrons dans un réacteur nucléaire. Il convient de noter que les  compteurs BF 3 sont généralement utilisés dans la région proportionnelle.

Chambre de fission – Détecteurs à large plage

Les chambres à fission  sont des détecteurs à ionisation utilisés pour détecter les neutrons. Les chambres de fission peuvent être utilisées comme détecteurs de gamme intermédiaire pour surveiller le flux de neutrons (puissance du réacteur) au niveau du flux intermédiaire. Ils fournissent également des indications, des alarmes et des signaux de déclenchement du réacteur. La conception de cet instrument est choisie pour assurer un chevauchement entre les canaux de la plage source et la pleine plage des instruments de la plage de puissance.

Dans le cas des  chambres à fission , la chambre est recouverte d’une fine couche d’ uranium 235 hautement enrichi   pour détecter les neutrons. Les neutrons ne sont  pas directement ionisants  et doivent généralement être  convertis  en particules chargées avant de pouvoir être détectés. Un  neutron thermique  provoquera la fission d’ un atome d’uranium 235  , les deux  fragments de fission  produits ayant une  énergie cinétique élevée  et provoquant l’ionisation du gaz d’argon à l’intérieur du détecteur. Un avantage de l’utilisation d’un revêtement d’uranium 235 plutôt que de bore 10 est que les fragments de fission ont une énergie beaucoup plus élevée que la particule alpha issue d’une réaction au bore. Par conséquent les chambres de fission  sont  très sensibles  au flux de neutrons, ce qui permet aux chambres de fission de fonctionner dans  des champs gamma plus élevés  qu’une chambre à ions non compensée avec revêtement en bore.

Feuilles d’activation et fils de flux

Les neutrons peuvent être détectés à l’aide de feuilles d’activation et de fils de flux . Cette méthode est basée sur l’activation des neutrons, où un échantillon analysé est d’ abord irradié avec des neutrons pour produire des radionucléides spécifiques . La désintégration radioactive de ces radionucléides produits est spécifique à chaque élément (nucléide). Chaque nucléide émet les rayons gamma caractéristiques qui sont mesurés par spectroscopie gamma , où les rayons gamma détectés à une énergie particulière sont indicatifs d’un radionucléide spécifique et déterminent les concentrations des éléments.

Les matériaux sélectionnés pour les films d’activation sont par exemple:

  • indium,
  • or,
  • rhodium,
  • le fer
  • aluminium  
  • niobium

Ces éléments ont de grandes sections efficaces pour la capture radiative des neutrons . L’utilisation d’échantillons absorbeurs multiples permet de caractériser le spectre d’énergie neutronique. L’activation permet également de recréer une exposition historique aux neutrons. Les dosimètres d’accident de criticité disponibles dans le commerce utilisent souvent cette méthode. En mesurant la radioactivité des feuilles minces, nous pouvons déterminer la quantité de neutrons auxquels les feuilles ont été exposées.

Les fils de flux peuvent être utilisés dans les réacteurs nucléaires pour mesurer les profils de flux de neutrons des réacteurs. Les principes sont les mêmes. Le fil ou la feuille est inséré directement dans le cœur du réacteur , reste dans le cœur pendant la durée requise pour l’activation au niveau souhaité. Après l’activation, le fil ou la feuille de flux est rapidement retiré du cœur du réacteur et l’activité est comptée. Les feuilles activées peuvent également discriminer les niveaux d’énergie en plaçant un couvercle sur la feuille pour filtrer (absorber) certains neutrons de niveau d’énergie. Par exemple, le cadmium est largement utilisé pour absorber les neutrons thermiques dans les filtres à neutrons thermiques.

Détection de neutrons rapides

Les neutrons rapides sont des neutrons d’ énergie cinétique supérieurs à 1 MeV (~ 15 000 km / s). Dans les réacteurs nucléaires, ces neutrons sont généralement appelés neutrons de fission. Les neutrons de fission ont une distribution d’énergie Maxwell-Boltzmann avec une énergie moyenne (pour la fission 235U ) de 2 MeV. À l’intérieur d’un réacteur nucléaire, les neutrons rapides sont ralentis vers les énergies thermiques via un processus appelé modération neutronique . Ces neutrons sont également produits par des processus nucléaires tels que la fission nucléaire ou des réactions (ɑ, n).

En général, il existe de nombreux principes de détection et de nombreux types de détecteurs. Mais il faut l’ajouter, la détection des neutrons rapides est une discipline très sophistiquée, car la section efficace des neutrons rapides est beaucoup plus petite que dans la gamme d’énergie pour les neutrons lents. Les neutrons rapides sont souvent détectés en les modérant (ralentissant) d’abord aux énergies thermiques. Cependant, au cours de ce processus, les informations sur l’énergie d’origine du neutron, sa direction de déplacement et le temps d’émission sont perdues.

Proton Recoil – Détecteurs de recul

Les détecteurs les plus importants pour les neutrons rapides sont ceux qui détectent directement les particules de recul , en particulier les protons de recul résultant de la diffusion élastique (n, p). En fait, seuls les noyaux d’hydrogène et d’hélium sont suffisamment légers pour une application pratique. Dans ce dernier cas, les particules de recul sont détectées dans un détecteur. Les neutrons peuvent transférer plus d’énergie aux noyaux légers. Cette méthode convient à la détection de neutrons rapides permettant la détection de neutrons rapides sans modérateur . Cette méthode permet de mesurer l’énergie du neutron avec la fluence neutronique, c’est-à-dire que le détecteur peut être utilisé comme spectromètre. Les détecteurs de neutrons rapides typiques sont les scintillateurs liquides, détecteurs de gaz rares à base d’hélium-4 et détecteurs de plastique (scintillateurs). Par exemple, le plastique a une teneur élevée en hydrogène, par conséquent, il est utile pour les détecteurs de neutrons rapides , lorsqu’il est utilisé comme scintillateur.

Spectromètre Bonner Spheres

Il existe plusieurs méthodes de détection des neutrons lents et peu de méthodes de détection des neutrons rapides. Par conséquent, une technique pour mesurer les neutrons rapides consiste à les convertir en
neutrons lents , puis à mesurer les neutrons lents. L’une des méthodes possibles est basée sur les sphères de Bonner . La méthode a été décrite pour la première fois en 1960 par Ewing et Tom W. Bonner et utilise des détecteurs de neutrons thermiques (généralement des scintillateurs inorganiques tels que 6 LiI) intégrés dans des sphères modératrices de différentes tailles.  Les sphères de Bonner ont été largement utilisées pour la mesure des spectres neutroniques avec des énergies neutroniques allant de thermique jusqu’à au moins 20 MeV. Un spectromètre à neutrons sphériques de Bonner (BSS) se compose d’un détecteur de neutrons thermiques, d’un ensemble de coques sphériques en polyéthylèneet deux coques de plomb en option de différentes tailles. Afin de détecter les neutrons thermiques, un détecteur 3 He ou des scintillateurs inorganiques tels que 6 LiI peuvent être utilisés. Les scintillateurs LiGlass sont très appréciés pour la détection des neutrons thermiques. L’avantage des scintillateurs LiGlass est leur stabilité et leur large gamme de tailles.

Détection de neutrons à l’aide d’un compteur à scintillation

Les compteurs à scintillation  sont utilisés pour mesurer le rayonnement dans une variété d’applications, y compris les compteurs portatifs de rayonnement, la surveillance du personnel et de l’environnement pour la  contamination radioactive , l’imagerie médicale, les tests radiométriques, la sécurité nucléaire et la sécurité des centrales nucléaires. Ils sont largement utilisés car ils peuvent être fabriqués à peu de frais mais avec une bonne efficacité, et peuvent mesurer à la fois l’intensité et l’énergie du rayonnement incident.

Les compteurs à scintillation peuvent être utilisés pour détecter  les rayonnements alpha ,  bêta et  gamma . Ils peuvent également être utilisés pour la  détection de neutrons . À ces fins, différents scintillateurs sont utilisés.

  • Neutrons . Les neutrons étant  des particules électriquement neutres,  ils sont principalement soumis à de  fortes forces nucléaires  mais pas à des forces électriques. Par conséquent, les neutrons ne sont  pas directement ionisants  et ils doivent généralement être  convertis  en particules chargées avant de pouvoir être détectés. En général, chaque type de détecteur de neutrons doit être équipé d’un convertisseur (pour convertir le rayonnement neutronique en rayonnement commun détectable) et de l’un des détecteurs de rayonnement conventionnels (détecteur à scintillation, détecteur gazeux, détecteur à semi-conducteur, etc.).  Les neutrons rapides  (> 0,5 MeV) dépendent principalement du proton de recul dans les réactions (n, p). Matériaux riches en hydrogène, par exemple  scintillateurs plastiques, sont donc les mieux adaptés à leur détection. Les neutrons thermiques  dépendent de réactions nucléaires telles que les réactions (n, γ) ou (n, α) pour produire l’ionisation. Les matériaux tels que LiI (Eu) ou les silicates de verre sont donc particulièrement bien adaptés à la détection des neutrons thermiques. L’avantage des scintillateurs 6LiGlass est leur stabilité et leur large gamme de tailles.

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