Qu’est-ce que le convertisseur de neutrons – Comment les neutrons peuvent être détectés – Définition

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.

Exemple – Convertisseur de neutrons

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 d’utiliser un revêtement d’uranium 235 plutôt que du 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 supérieurs  à une chambre à ions non compensée avec revêtement en bore.

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.