Détecteur de neutrons
Le présente invention a pour objet un détecteur de neutrons du type comprenant une pellicule de matériau fissile et une couche semi-conductrice.
Les détecteurs de ce type comportent généralement un dépôt de matériau fissile tel que l'uranium 235 sur un matériau inerte et un détecteur solide à semi-conducteur, de préférence du type à barrière de surface, pour détecter les fragments de fission provenant de la fission des noyaux d'uranium sous l'action d'un flux de neutrons. Un ensemble de comptage permet l'étude des impulsions fournies par le détecteur.
Ces détecteurs ont plour avantage de pouvoir tre réalisés dans de petites dimensions et de présenter une faible sensibilité aux rayonnements y, ce qui les rend utiles par exemple pour l'étude de la répartition du flux de neutrons dans les assemblages critiques ou les réacteurs lors du démarrage.
Ils ont par contre comme inconvénient de ne pas permettre une bonne discrimination entre les fragments de fission et le rayonnement a naturel du matériau fissile. En effet, mme si le dépôt fissile est aussi proche que possible du détecteur à semi-conducteur, les fragments de fission subissent une perte d'énergie qui est variable avec la longueur de leur trajet et qui devient très importante pour ceux qui sont émis dans une direction très inclinée par rapport à la normale au dépôt fissile. I1 en résulte un étalement des énergies et, par conséquent, une mauvaise discrimination entre les fragments de fission et le rayonnement a.
On a proposé d'améliorer cette discrimination grâce à l'effet de collimation obtenu en éloignant le détecteur à semi-conducteur du dépôt fissile. L'espace compris entre le dépôt et le détecteur doit alors tre mis sous vide.
La présence de ce vide entraîne de graves inconvénients. En particulier, l'encombrement du détecteur augmente et il ne peut pas tre facilement démonté pour permettre l'accès au dépôt.
La présente invention permet de pallier ces inconvénients et de concilier la solidité, la facilité de démontage et le faible volume avec une bonne discrimination entre les particules a et les fragments de fission.
Elle concerne un détecteur de neutrons, comportant une pellicule de matériau fissile sous l'action des neutrons, une couche semi-conductrice parallèle à la pellicule pour détecter les fragments de fission provenant de celle-ci et un ensemble de comptage des impulsions fournies par ladite couche, détecteur caractérisé par une grille collimatrice réalisée en un matériau absorbant les fragments de fission et percée de passages sensiblement perpendiculaires à la couche semi-conductrice, ladite grille étant interposée entre la pellicule de matériau fissile et la couche semi-conductrice.
La pellicule de matériau fissile, dont l'épaisseur doit tre très faible, est avantageusement formée d'un dépôt sur une plaque de matériau inerte. Le dépôt peut tre en particulier constitué par de l'uranium 235 ou 238 ou du plutonium 239. Pour la détection des fragments de fission, il y a intért à utiliser un détecteur à semi-conducteur du type à barrière de surface, car l'épaisseur de la fentre provoquant la dispersion des particules peut tre réduite à une fraction de micron.
Pour mieux faire apparaître les avantages et les caractéristiques essentielles du dispositif objet de l'invention, on en décrit ci-après un mode de réalisation particulier, en se référant aux fig. 1 à 4 ci-jointes. I1 est bien entendu que cette description, donnée à titre indicatif, ne saurait avoir aucun caractère limitatif.
La fig. 1 représente une vue en coupe transversale du dispositif selon l'invention.
La fig. 2 est une vue de dessus de la grille collimatrice,
La fig. 3 représente, superposés, les spectres de fission de l'uranium 235 obtenus avec le détecteur selon l'invention et avec un détecteur similaire sans grille collimatrice.
La fig. 4 représente le spectre a du rayonnement naturel de l'uranium 235 obtenu avec le détecteur selon l'invention.
Le détecteur selon l'invention représenté sur la fig. 1 comporte essentiellement une pellicule de matériau fissile 1, une grille collimatrice 2 et un détecteur solide à semi-conducteur 3 qui ont la forme de disques circulaires parallèles, la coupe de la fig. 1 étant effectuée suivant un plan diamétral. Tous trois sont placés dans un container en laiton 4 dont ils sont isolés par une capsule de polytétrafluoréthylène 5.
La pellicule de matériau fissile, dont l'épaisseur est inférieure à 0,5 mg/cm2, est constituée par un dépôt électrolytique d'uranium 235 par exemple, sur un disque de nickel 6. Ce disque a une surface de 3 cm environ et une épaisseur de 0,1 mm. Il est collé sur la grille collimatrice 2, le dépôt fissile faisant face à la grille.
Le détecteur solide à semi-conducteur 3, connu en soi, est du type à barrière de surface. Il comporte une couche d'or 7, déposée sur un cristal de silicium de type n dont la surface a été au préalable convenablement traitée. Cette couche d'or 7 se présente face à la grille 2.
La couche d'or 7 du détecteur à semi-conducteur 3 est mise à la masse par l'intermédiaire d'un fil 8 assurant un contact électrique avec le container 4. La surface opposée 10 du cristal de silicium comporte en son centre un dépôt de nickel 11 qui est porté à un potentiel positif.
Le détecteur à semi-conducteur 3 est serti dans la capsule de polytétrafluoréthylène 5, placée dans le container 4. Les impulsions qu'il fournit sont transmises à un préamplificateur et à un ensemble de comptage non représentés par une prise subminiature 12 dont le conducteur central 13 est soudé au dépôt de nickel 11 et isolé du corps de la prise 12, mis à la masse, par du polytétrafluoréthylène 14.
La grille collimatrice 2, visible également sur la fig. 2, est formée par un disque percé d'une multitude de passages 15 parallèles à section carrée. Elle doit tre réalisée en un matériau absorbant les fragments de fission; dans le cas particulier décrit, on a utilisé de l'acier inoxydable. Le diamètre de la grille collimatrice est sensiblement égal au diamètre interne du container 4 et son épaisseur est de l'ordre de 0,5 à 1 mm.
Pour éviter de diminuer exagérément la proportion des fragments de fission provenant du dépôt fissile 1 qui parvient au détecteur 3, le rapport de la section des passages 15 à celle des parois 16 (coefficient de perforation) doit tre aussi élevé que possible. On a pu réaliser par électro-érosion une grille à passages carrés de 2 mm de côté, séparés par des parois 16 de 0,1 mm d'épaisseur; le coefficient de perforation correspondant est de l'ordre de 0,9.
La grille collimatrice 2, portant le disque de nickel 6 avec son dépôt fissile, est introduite dans le container 4 jusqu'à ce que sa surface inférieure affleure le détecteur à semi-conducteur 3.
Lorsque le détecteur décrit ci-dessus est soumis à l'action d'un flux de neutrons, celui-ci provoque la fission de l'uranium de la pellicule 1, avec production de fragments de fission dont l'énergie est très élevée. Ces fragments de fission sont détectés par le détecteur à semi-conducteur 3. Les impulsions recueillies entre les contacts ohmiques de ce dernier sont transmises par la prise 12 à un ensemble de comptage.
La grille collimatrice 2 élimine la possibilité d'un parcours oblique des fragments de fission entre le dépôt fissile et la couche semi-conductrice. Elle peut déterminer un angle de collimation de 2su/3.
Le spectre de fission de l'uranium 235 obtenu avec le détecteur décrit ci-dessus est représenté sur la fig. 3, (courbe a), l'énergie étant portée en abscisse et le taux de comptage des impulsions en ordonnée. Le pic 17 est dû au rayonnement a tandis que les pics 18 et 19 sont dus aux fragments de fission des noyaux d'uranium 235. Par comparaison, on a figuré également, en traits interrompus (courbe b), le spectre obtenu dans les mmes conditions avec un détecteur similaire ne comportant pas de grille collimatrice. L'amélioration apportée par la grille collimatrice dans la discrimination entre le rayonnement a et les fragments de fission apparaît très clairement sur cette figure.
En effet, le rapport de discrimination, défini comme le rapport du taux de comptage correspondant au pic de fission 18 au taux de comptage dans la vallée entre le pic des rayons a 17 et celui des fragments de fission 18, est de l'ordre de 4 dans le cas d'un détecteur sans grille collimatrice. Cette mauvaise discrimination s'explique par l'étalement des énergies dû aux longueurs variables du trajet des particules entre le dépôt fissile et le détecteur à semi-conducteur.
Des résultats meilleurs sont obtenus lorsque le vide règne dans l'espace compris entre le dépôt et la couche semi-conductrice, mais l'existence de ce vide interdit le démontage du détecteur.
Le détecteur suivant l'invention, qui n'exige aucun vide, présente au contraire l'avantage d'tre démontable. Ceci permet de changer rapidement le disque de nickel 6 pour renouveler le dépôt fissile ou de l'enlever lorsque l'on désire réaliser des mesures de bruit de fond.
Le détecteur décrit permet d'obtenir, conformément à la fig. 3 (courbe a) un rapport de discrimination supérieur à 40, les trajets suivis par les particules au travers de la grille collimatrice 2 étant tous sensiblement identiques, ce qui élimine l'étalement des énergies.
Pour étalonner ce détecteur, on en établit la spectrométrie a en l'absence de flux de neutrons. Pour un dépôt d'uranium 235 à 99,9 O/o on obtient la courbe représentée sur la fig. 4, dans laquelle les pics 20 et 21 sont dus au rayonnement a naturel de l'uranium. La détermination du taux de comptage correspondant permet d'en déduire avec précision la masse du dépôt fissile. Lorsque le détecteur est ensuite placé dans un flux de neutrons, celui-ci est aisément déterminé en fonction du taux de comptage des fragments de fission et de la masse du dépôt fissile.
Naturellement, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation particulier décrit ci-dessus à titre d'exemple. Elle en englobe au contraire toutes les variantes.