WO2021058752A1 - Device and method for detecting neutrinos - Google Patents

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WO2021058752A1
WO2021058752A1 PCT/EP2020/076925 EP2020076925W WO2021058752A1 WO 2021058752 A1 WO2021058752 A1 WO 2021058752A1 EP 2020076925 W EP2020076925 W EP 2020076925W WO 2021058752 A1 WO2021058752 A1 WO 2021058752A1
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WO
WIPO (PCT)
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neutrino
collision zone
energy
neutron
free
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/076925
Other languages
French (fr)
Inventor
Arash Mofakhami
Philippe Le Tourneur
Darius MOFAKHAMI
Original Assignee
Neusca
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Publication date
Application filed by Neusca filed Critical Neusca
Priority to EP20780997.1A priority Critical patent/EP4034916A1/en
Publication of WO2021058752A1 publication Critical patent/WO2021058752A1/en

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/1606—Measuring radiation intensity with other specified detectors not provided for in the other sub-groups of G01T1/16

Definitions

  • the invention relates to the field of nuclear physics and the detection of elementary particles, in particular the neutrino.
  • the present invention relates in particular to devices and methods for detecting neutrinos.
  • Neutrinos are emitted in large quantities from the sun and many other stars as well as from terrestrial sources such as nuclear reactors, for example nuclear power plants.
  • the neutrino is an elementary particle whose existence was confirmed experimentally in 1956 by Reines and Cowan whereas it had been imagined on a theoretical basis by Wolfgang Pauli in 1930.
  • the reaction (1) which allowed the Reines experiment - Cowan is the antineutrino v ° - proton p + interaction:
  • reaction (1) Many alternative reactions to reaction (1) have been considered for the design of new neutrino detectors. These reactions can involve neutrinos or antineutrinos.
  • beta - pseudo-decay Another category of these reactions is based on the transformation of a neutron into a proton with an emission of an electron, known as beta - pseudo-decay. Mention may be made of the GALLEX detector in Italy using gallium transmuted into Germanium by the neutrino, or the “Homestake Gold mine” detector using the Chlorine-Argon pair.
  • reaction (1) which can be called “stimulated beta decay”, presents a major practical difficulty: it requires working with free neutrons whose density (around 108 / cm3 in a reactor) can hardly reach the densities nuclei of a common object (for example of the order of 1023 nuclei / cm3 of gallium or chlorine for the detectors mentioned above).
  • Application SU 1396104 relates to a method for determining the mass of neutrinos. In the process described, the directionalization of the particles is destroyed, insofar as a magnetic field is applied to deflect them.
  • the subject of the invention is thus a method for detecting neutrinos, comprising the following steps:
  • the invention relates in particular, according to one of its aspects, to a method for detecting neutrinos, comprising the following steps:
  • (c) determine from the energy and direction of the elementary particles detected, information on at least one neutrino which has arrived in the collision zone and has collided with a free neutron present in the collision zone.
  • the elementary particle emitted can result from the reaction of a neutrino with a neutron. It can be in particular a proton and an electron both resulting from a single reaction between a neutrino and a neutron. The process is thus based on the elementary reaction (2) above.
  • the source of neutrinos can for example be chosen from the following list, which is not exhaustive: sun, supemova, nuclear power station, particle accelerator, civil or military nuclear installation, nuclear submarine.
  • Neutrinos from the sun have a flux at the earth's surface of the order of 6.5.10 10 neutrinos / cm2 / s.
  • Neutrinos arriving in the collision zone may not be evenly distributed. Detection of inhomogeneity can determine the nature and / or location of the source of the neutrino. In the invention, it is possible in particular to seek to determine an inhomogeneity in the distribution, in particular the spatial distribution, of the neutrinos which have arrived in the collision zone and have collided with free neutrons present in the collision zone.
  • the solar neutrino flux on earth is of the order of 6.4 x 10 10 cm 2 s 1 .
  • the number of neutrinos which have arrived in the collision zone and which can collide with a free neutron present in this collision zone is dependent on the density and the speed of the neutrons.
  • a thermal beam with neutrons of energy 0.025eV and a flux of 10 L 6 ns-l.cm- 2 and of section of 1cm 2 and for an exposure orifice of 1cm 2 therefore a volume of lcm3 with a density equivalent of 10 L 6 n / cm3, it can for example be of the order of 1000 neutrinos per second.
  • the number of neutrinos arriving in the collision zone can for example be greater than 1000 neutrinos per minute, better still greater than 100,000 neutrinos per minute.
  • the number of neutrinos arriving in the collision zone and colliding with a free neutron present in the collision zone can for example be less than 100,000 neutrinos per minute, or even less than 1000 neutrinos per minute, better still less than 10 neutrinos per minute. minute.
  • step (c) We can determine in step (c) the energy and / or direction of arrival of said neutrino arrived in the collision zone and collided with a free neutron present in the collision zone.
  • the energy spectrum of the detected neutrinos can be between 0.78 MeV and several TeV. It may for example be between 0.78 MeV and 100 TeV, better still between 0.78 MeV and 1 GeV, or even between 0.78 MeV and 10 MeV.
  • the determination of the energy spectrum of the particles detected, in particular protons and electrons, can make it possible to determine the direction of the position of the source of said neutrino.
  • the direction of the position of the neutrino source can be determined relative to a known reference source.
  • a known reference source is a source for which the energy spectrum and the direction of the position are known. It could be the sun, for example. If we know the time, we know the position of the sun, and we can deduce the direction of the position of the source of the detected neutrino. For example, we can detect the appearance of a supemova when its visible light is still very weak. The energy and / or direction of arrival of said neutrino can be detected with a given precision.
  • step (c) information can be determined on the distance from the neutrino source from which said neutrino arrived in the collision zone and collided with a free neutron present in the collision zone.
  • the method according to the invention is carried out for a very long period, for example several weeks, several months or even several years. We can thus detect the evolution over time of the number and characteristics of collisions between a neutrino and a free neutron present in the collision zone. Information is thus obtained on the density of the neutrino source and its distance.
  • step (b) it is possible to detect in step (b) the energy and / or the direction of the elementary particle emitted in the collision zone, in particular an electron and / or a proton.
  • the elementary particle emitted can be endowed with a certain kinetic energy depending on the energy of the incident neutrino.
  • the elementary particles emitted thus acquire a range of kinetic energy which depends on the energy of the incident neutrino. They distribute themselves in directions and pulses, depending on the trajectory and the initial energy of the incident neutrino. All of these trajectories generate a spectrum of trajectories and pulses which is related to the direction of the position of the source of the neutrinos with respect to the detection device for a given energy of these neutrinos.
  • step (b) We can detect in step (b) a pair of elementary particles resulting from the reaction of a neutrino with a neutron, in particular of a proton and an electron resulting from a single reaction between a neutrino and a neutron.
  • the two charged particles produced namely the proton and the electron, are thus detected and, from their trajectories, the direction of the incident neutrino and / or its energy can be established.
  • Detecting a pair of proton and electron from a single reaction can determine the energy of the neutrino, especially with greater precision and lower uncertainty.
  • the detection of a single elementary proton or electron particle is sufficient to obtain information on the energy of the neutrino, but with some uncertainty and lower precision.
  • Detecting a pair of proton and electron from a single reaction can determine the energy of the neutrino, especially with greater precision and lower uncertainty.
  • the detection of a single elementary proton or electron particle is sufficient to obtain information on the energy of the neutrino, but with some uncertainty and lower precision.
  • the uncertainty on the determination of the energy of the neutrino and / or its direction in case of detection of a pair of elementary particles is much lower than the uncertainty of the determination of the energy of the neutrino and / or its direction in case of detection of a single elementary particle, without detection of the paired particle.
  • a majority of the free neutrons can have a magnetic moment having a predefined orientation, in particular more than 60%, better still more than 70%, even more than 80% of the free neutrons have a magnetic moment having a predefined orientation.
  • the magnetic moments of free neutrons can be aligned in the same direction. They can be parallel to the direction of movement of free neutrons in the collision zone, being in the same direction or in the opposite direction, or alternatively they can be perpendicular to the direction of movement of free neutrons in the collision zone. With free neutrons having magnetic moments having a predefined orientation, one can further minimize the uncertainty in determining the energy of the neutrino and / or its direction.
  • Free neutrons can have an energy between 1 meV and 14 MeV, better still between 1 meV and IKeV, or even between and 1 meV and 25 meV.
  • the energy of the neutrons can be low, we speak of thermal or cold neutrons, or it can be high, we speak of fast neutrons.
  • low energy neutrons are preferably used, in particular between 1 meV and 25 meV. This can help minimize the risk of gamma radiation or the emission of any other particle.
  • the subject of the invention is also, independently or in combination with the foregoing, a device for implementing the method as defined above.
  • a subject of the invention is also a device for detecting neutrinos, for example for the implementation of a method as described above, comprising:
  • a source of free neutrons configured to provide free neutrons in a collision zone
  • a tool for detecting at least one elementary particle emitted in the collision zone in particular an electron and / or a proton, configured in particular to detect its energy and / or its direction
  • a computer configured to determine from the elementary particle (s) detected, in particular their energy and / or their direction, information on at least one neutrino which has arrived in the collision zone and has collided with a free neutron present in the collision zone.
  • the invention relates in particular, according to one of its aspects, to a device for detecting neutrinos, in particular for implementing the method as described above, comprising:
  • a source of free neutrons configured to provide free neutrons in an area collision
  • a computer configured to determine from the energy and direction of the elementary particles detected, information on at least one neutrino which has arrived in the collision zone and has collided with a free neutron present in the collision zone .
  • the computer can be configured to determine the energy and / or the direction of arrival of said neutrino which has arrived in the collision zone and has collided with a free neutron present in the collision zone, in particular with a given precision.
  • the detection tool can be configured to detect the energy and / or direction of the elementary particle emitted into the collision zone, including an electron and / or a proton.
  • the detection tool may have one or more detectors, for example two or three detectors.
  • a detector may for example comprise a mosaic of scintillators, which may be arranged in a planar or cylindrical manner, for example around a tube.
  • a scintillator emits light when a proton or electron enters it.
  • a detector can further include a photomultiplier, which can be separated from the scintillators by a transparent window.
  • the photomultiplier allows the conversion of light into an electronic signal and its amplification.
  • the amplification of the intensity can advantageously be several orders of magnitude.
  • any other type of proton or electron detection, electrically or magnetic based, can be used.
  • the detector (s) may for example be sensitive to the charge of the particles detected, for example by using an electrical charge measurement or CCD (in English “Charge-Coupled Device”).
  • the detection tool can be configured to detect a pair of elementary particles resulting from the reaction of a neutrino with a neutron, including a proton and an electron resulting from a single reaction between a neutrino and a neutron.
  • Other phenomena can constitute sources of noise, more or less intense depending on the active principle of the detection tool and of the detectors, namely for example charge detection or scintillation. It may be the capture of neutrons by the materials of the detection device, cosmic phenomena such as the arrival of muons, neutrons, or other various particles, and finally telluric phenomena, such as terrestrial gamma radiation.
  • noise sources can be attenuated by measures taken in the design of the detection device.
  • This can, for example, be placed at a sufficient distance from places likely to be the site of interactions between neutrons and matter, in order to prevent gamma rays from being produced by radiative capture of neutrons. Protections, for example made of heavy material such as lead or tungsten for example, can be placed if necessary between these places and the sensitive parts of the detection tool for the absorption of gamma radiation.
  • the detection device may alternatively or additionally comprise external protections, where appropriate, for anticosmic and antitelluric protection.
  • the collision zone can be defined by a limiting device.
  • the limiting device can help to limit the collision zone, making it possible to confine possible reactions between a supplied free neutron and a neutrino at the collision zone.
  • the limiting member may for example comprise a tube in which the free neutrons are present in a stationary form, or in which the free neutrons circulate, for example in the form of a beam of free neutrons.
  • the limiting member may extend in an elongation direction, which may for example be parallel, or even coincident, with a longitudinal axis of the free neutron beam.
  • the use of a limiting device can make it possible to limit the volume of useful reactions: the production of protons and electrons produced outside this volume then does not result in particle detection because the particles are stopped by a physical barrier.
  • the limiting member may include, for example, a small thickness of metal, on their possible path to the detection zones.
  • the volume defined by the limiting member therefore represents the place of creation and single departure of the elementary particles which can be detected and will therefore be used as the point of origin for the trajectory calculations.
  • the limiting member makes it possible to limit the geometric extent of all the starting points of the elementary particles detected. As we do not have access to the actual starting point, any point not obscured by the limiting device is a potential starting point which must be taken into account in determining the trajectories. The reduction of the limiting device therefore makes it possible to be more precise in the development of trajectories to the detriment of the number of detectable events. per unit of time. It is possible to operate very well with a very large limiting member or without the limiting member, if necessary.
  • the limiting device may include one or more orifices allowing the elementary particle or particles emitted in the collision zone to reach the detection tool. Said orifice (s) can be distributed over the periphery of the limiting tool.
  • the tube may for example include one or more orifices distributed over its periphery.
  • the orifice (s) may have an opening diameter D of between 0.1 mm and 100 mm, better still between 1 mm and 10 mm, or even between 3 mm and 5 mm.
  • the smaller the opening diameter D the better the angular accuracy in determining the direction of the position of the neutrino source.
  • the larger the opening diameter D the better the number per unit time of elementary particles detected, which improves the quality of the determination.
  • a distance H between the limiting member and the detector may be between 10 mm and 10,000 mm, better still between 100 mm and 1,000 mm, or even between 50 mm and 100 mm.
  • the greater the distance H the better the angular accuracy in determining the direction of the position of the neutrino source.
  • the smaller the distance H the greater the time-of-flight differences between protons and electrons, and therefore the more difficult their pairing.
  • the angular geometric accuracy of the trajectory calculation can be improved. It is in particular the relationship between these two values that can determine the accuracy of the measurement.
  • the field of view of the instrument can be increased, with a greater solid angle of source detection.
  • the device does not have a limiting member.
  • the detection device may include a vacuum chamber into which the neutrons can be introduced.
  • the detection device can include one or more polarization electrodes.
  • the polarization electrode (s) can make it possible to improve the discrimination in the detection of the polarity of the elementary particles emitted, in particular an electron and / or a proton, which makes it possible to improve the energy measurements. We can thus better distinguish the polarity of a detected elementary particle, and better match a proton with an electron resulting from the same reaction between a neutrino and a neutron.
  • the detection device may further include information processing means configured to determine, from the kinetic energy of the elementary particles resulting from the reaction between the neutron and the incident neutrino, in particular the protons and electrons, the energies initials of the neutron and the neutrino, which are highly dependent on them.
  • the emitted particles have a certain spatial and energetic distribution or momentum that can characterize the source of neutrinos in terms of energy and direction.
  • the amount of light produced by the interactions of elementary particles, protons and electrons can be a monotonically increasing function of the kinetic energy or momentum of these elementary particles and can then be measured and recorded by the detection device.
  • detection by means other than light based for example on the detection of moving charged particles, the energy can be captured through the use of electric and / or magnetic fields.
  • the basic information that can be acquired and measured are the following: energy deposited during the detection of elementary particles, place of deposition of these energies, these places being able to make it possible to establish the trajectories of the proton and the electron from the area of the limiting organ.
  • the impact accuracy can be on the order of a millimeter.
  • the detection device may for example comprise, assembled in a processing chain allowing acquisitions, one or more scintillators or alternatively devices for measuring the electrical charge, a transmission wall such as a transparent window, one or more photomultipliers.
  • the detection device can allow the measurement of charges in a proximity electronic card, digitization and digital processing in a multi-channel card, then the storage in a computer of the rest of the information collected.
  • a calibration and calibration phase may be necessary to establish the operational parameters for processing the information.
  • This calibration and calibration phase can include a phase in which means can be used for the creation and variable impulse of charged particles of the electron and proton type in order to establish the energy response curve of the instrument (energy equivalence deposited - transported energy).
  • This calibration and calibration phase may include exposure to one or more established or known neutrino sources such as the sun, for example, for calibration purposes.
  • This calibration can be carried out according to the following principles and methods: determination of the temporal and energy characteristics of the proton-electron coincidences obtained and in particular verification of the coherences between the energies deposited and the time-of-flight deviation, then processing of the proton-electron detection coincidences.
  • the processing of proton-electron detection coincidences can be performed by establishing impact locations and trajectories of protons and electrons sorted by deposited energy of protons and electrons assuming that the corresponding neutrinos originate from the sun and therefore have a trajectory and known energies with respect to the detection device by construction.
  • the processing of proton-electron detection coincidences can be carried out by then establishing a calibration function linking the trajectory of the neutrino, deposited energies and the distribution of impacts and trajectories of the proton and the electron
  • a spectrum is then established according to the energies deposited and by converting this spectrum into the energy of the incident particles (neutrinos) according to the spectra established by the bibliography for the source considered.
  • the calibration function established during the calibration phase can make it possible to process the events during operational use in order to establish for each coincidence event the probabilities associated with the energies and possible trajectories of the incident neutrinos.
  • the detection of the energies and positions of a single pair of protons electron can be used to establish the energy but not necessarily the trajectory of the incident neutrino.
  • the calibration function established during the calibration phase can make it possible to process the events during G operational use in order, for a set of events, to reprocess these probabilities with a principle of maximum likelihood to define the spectrum and the position of the sources of neutrinos which could have been identified or foreseen.
  • the subject of the invention is also a nuclear reactor detector by detection of neutrinos originating from the nuclear reactor, comprising a device for detecting neutrinos as described above.
  • the detector according to the invention allows the detection and location of any nuclear reactor, for example a nuclear power station, a particle accelerator, a civil or military nuclear installation, a nuclear submarine.
  • the method and the device according to the invention can make it possible to determine the positioning of a submarine, to carry out spatial or terrestrial mapping, for example of radioactive materials from the earth, to carry out monitoring of mobile neutrino sources. or immobile, to characterize a source or sources of neutrinos. They can be used in communication, navigation and geological imaging applications. They can for example be implemented on earth or on a satellite.
  • the neutrons provided are free neutrons.
  • free neutrons is meant neutrons which are not bound to a nucleus.
  • the free neutrons can be in a stationary form, for example coming from a local neutronogenic reaction, or in which the free neutrons circulate, for example in the form of a beam of free neutrons.
  • the bundle may or may not be cylindrical, for example having a particular cross-sectional shape.
  • Some of the free neutrons provided may have a magnetic moment with a predefined orientation.
  • magnetic moment is meant the intrinsic magnetic moment of the particle, namely the neutron.
  • a majority of the free neutrons can have a magnetic moment having a predefined orientation, in particular more than 60%, better still more than 70%, even more than 80% of the free neutrons can have a magnetic moment having a predefined orientation.
  • the magnetic moments of free neutrons can be aligned in the same direction. They can be parallel to the direction of movement of free neutrons in the collision zone, being in the same direction or in the opposite direction, or alternatively they can be perpendicular to the direction of movement of free neutrons in the collision zone.
  • Neutrons can be produced by any type of neutron source, such as, for example: nuclear reactor, particle accelerator, radioactive sources, portable generators, this list not being exhaustive.
  • Neutrons can be produced by a nuclear fission reaction. Neutrons produced by a nuclear reactor can be used to form a beam.
  • the neutrons can also be produced by a local source integrated into the device or close to it.
  • Another technology that can be used for the production of neutrons is spallation, i.e. the interaction of energetic photons, energetic particles or strongly accelerated light nuclei (in the order of MeV to GeV) with nuclei. heavy and / or rich in neutrons.
  • the impact of the incident energy beam (proton, electron or photons) on these nuclei frees the neutrons by splitting the nuclei or tearing the excess neutrons in a directional cone.
  • the neutron source can be configured to allow the production of free neutrons.
  • Neutrons can be emitted in a stationary form, without direction, for example by means of laser confinement, or as a beam of free neutrons.
  • the neutron source can be configured to allow the emission of such a beam of free neutrons.
  • beam neutrons make it possible to minimize the noise they are likely to generate. In fact, in the case of a beam, there may be less interaction between the neutrons and the material of the device.
  • the above neutron source may have an output diaphragm.
  • the output diaphragm may be a disc made of materials which interact little with the neutrons so as to allow the neutron beam to pass.
  • the output diaphragm may for example be made of one or more material (s) that are weak neutron absorbers.
  • the outlet diaphragm can include, for example, carbon, magnesium, lead, silica, zirconium or aluminum.
  • the outlet diaphragm can be of any shape, for example circular, oval, elliptical, polygonal.
  • Figure 1 is a schematic and partial view, in longitudinal section, of a neutrino detection device according to the invention.
  • Figure 2 is a schematic and partial view, in cross section, of another neutrino detection device according to the invention.
  • Figure 3 illustrates the neutrino detection method according to the invention.
  • Figure 4 is a detail view of the device of Figure 1.
  • Illustrated in Figure 1 is a neutrino detection device 10 comprising a source of free neutrons, which provides in the example described a beam L of free neutrons.
  • the neutrons are directed towards a collision zone Z, in which they will be liable to collide with neutrinos which have arrived in the collision zone Z.
  • the collision zone is formed in a vacuum chamber 1.
  • the neutron beam enters in the vacuum chamber 1 in 6, and comes out in 8. It circulates there in a straight line.
  • the device 10 On the side of the input 6 of the device 10 and its output 8, the device 10 comprises two input 7 and output 9 flanges, so as to best limit the noise collected in the detection device 10, i.e. that is to say in order to limit the neutron capture reactions likely to occur at these two input flanges 7 and 9. Thus, the beam-material interactions are limited at the two input and output flanges.
  • heavy equipment protections 5 are arranged between the flanges 7, 9 and the scintillators 2. These protections 5 can be made of lead or tungsten.
  • the device 10 further comprises a tool 11 for detecting elementary particles emitted in the collision zone Z.
  • the elementary particles which can be detected are electrons and / or protons. These elementary particles are the result of the reaction of a neutrino with a neutron. It can be in particular a proton and an electron both resulting from a single reaction between a neutrino and a neutron.
  • the detection tool 11 is configured to detect their energy and direction. It comprises for this purpose a mosaic 2 of scintillators emitting light when a proton or an electron enters it. These scintillators are glued or fixed on a window 3 which constitutes a barrier to the vacuum and allows the light to leave the scintillators 2 and to reach a set of photomultipliers 4 where this light is converted into a group of electrons constituting the electronic signal. that is collected.
  • the device comprises a limiting member 12 to limit the Z collision zone, made of metal.
  • the limiting member 12 comprises a tube open by two orifices 13 allowing the elementary particles emitted to reach the scintillators 2.
  • the device 10 further comprises a computer 15, 16 configured to determine from the elementary particle (s) detected, in particular their energy and / or their direction, information on at least one neutrino which has arrived in the collision zone and entered. colliding with a free neutron present in the collision zone.
  • a computer 15, 16 configured to determine from the elementary particle (s) detected, in particular their energy and / or their direction, information on at least one neutrino which has arrived in the collision zone and entered. colliding with a free neutron present in the collision zone.
  • the scintillators and the photomultipliers 4 are arranged in a planar matrix, and the limiting member has two opposing orifices 13.
  • the device 10 can be arranged with another configuration.
  • FIG. 2 shows a detection device 10 having a cylindrical shape, the scintillators and the photomultipliers 4 being arranged in a cylinder focused on the neutron beam.
  • the limiting member may also have a single orifice of cylindrical shape, or alternatively several orifices arranged on a cylinder.
  • a first step free neutrons are supplied in a collision zone, in particular by means of a source of free neutrons, then at least one elementary particle emitted in the collision zone is detected, in particular an electron and / or a proton. , by detecting in particular its energy and / or its direction by means of a scintillator 2.
  • the light emitted passes through the porthole 3, then is converted and amplified by the photomultipliers 4.
  • the electrical signal obtained is converted into 15 of an analog signal into a digital signal, and a first processing is performed to determine the polarization of the signal, its intensity and its dating, in order to detect any coincidences.
  • a computer 16 makes it possible to record the information of detector number, pulse date and pulse intensity, organize them into a table, process the information and detect coincidences, in order to identify particles and calculate energy trajectories and spectra.
  • the characteristics of the electron / proton pairs emitted are constrained by three initial characteristics, namely the energy of the incident neutrino, the direction of the incident neutrino, and the energy of the neutron. According to each set of initial conditions of these three characteristics, the energies and the directions of emission of the pairs of elementary particles emitted represent a different "signature": a bouquet of possible emissions and not unique for the emitted pairs corresponding to the initial conditions. The configuration obtained by the cumulative emissions of the pairs of particles then represents the signature corresponding to the initial conditions.
  • the initial conditions can be found, in particular the directions and energies of the incident neutrinos.
  • the measurement precision may depend on certain parameters of the device, as illustrated in FIG. 4. By way of example, it may depend on the opening diameter D of the orifice. The smaller the opening diameter D, the better the angular accuracy in determining the direction of the position of the neutrino source. The larger the opening diameter D, the better the number per unit of time of elementary particles detected, which improves the quality of the determination.
  • the precision can also depend on the distance H between the limiting member and the detector. The greater the distance H, the better the angular accuracy in determining the direction of the position of the neutrino source. The smaller the distance H, the greater the time-of-flight differences between protons and electrons, and therefore the more difficult their pairing.

Abstract

Method for detecting neutrinos, comprising the following steps: (a) providing free neutrons in a collision area (Z), (b) detecting at least one elementary particle transmitted in the collision area (Z), in particular by detecting the energy and/or the direction thereof, (c) determining, from the detected elementary particle(s), information on at least one neutrino which has arrived in the collision area and has collided with a free neutron present in the collision area (Z).

Description

Description Description
Titre : DISPOSITIF ET PROCEDE DE DETECTION DE NEUTRINOSTitle: DEVICE AND METHOD FOR DETECTION OF NEUTRINOS
Domaine technique Technical area
L’invention concerne le domaine de la physique nucléaire et de la détection de particules élémentaires, en particulier du neutrino. La présente invention concerne notamment les dispositifs et procédés pour détecter des neutrinos. The invention relates to the field of nuclear physics and the detection of elementary particles, in particular the neutrino. The present invention relates in particular to devices and methods for detecting neutrinos.
Les neutrinos sont émis en grande quantité par le soleil et de nombreuses autres étoiles ainsi que par des sources terrestres telles que des réacteurs nucléaires, par exemple les centrales nucléaires. Neutrinos are emitted in large quantities from the sun and many other stars as well as from terrestrial sources such as nuclear reactors, for example nuclear power plants.
Le neutrino est une particule élémentaire dont l’existence a été confirmée expérimentalement en 1956 par Reines et Cowan alors qu’elle avait été imaginée sur une base théorique par Wolfgang Pauli en 1930. La réaction (1) qui a permis l’expérience de Reines - Cowan est l’interaction antineutrino v° - proton p+ : The neutrino is an elementary particle whose existence was confirmed experimentally in 1956 by Reines and Cowan whereas it had been imagined on a theoretical basis by Wolfgang Pauli in 1930. The reaction (1) which allowed the Reines experiment - Cowan is the antineutrino v ° - proton p + interaction:
(1) v° + p+ -> n° + e (1) v ° + p + -> n ° + e
Technique antérieure Prior art
La détection des neutrinos est extrêmement difficile dans la mesure où leur section efficace d’interaction avec la matière est très faible. Detecting neutrinos is extremely difficult as their cross section of interaction with matter is very small.
De nombreuses réactions alternatives à la réaction (1) ont été envisagées pour la conception de nouveaux détecteurs de neutrinos. Ces réactions peuvent concerner les neutrinos ou les antineutrino s. Many alternative reactions to reaction (1) have been considered for the design of new neutrino detectors. These reactions can involve neutrinos or antineutrinos.
Une catégorie importante de ces réactions est basée, au sein du noyau d’un atome, sur la transformation d’un proton en neutron avec une émission d’un électron positif, dite pseudo-décroissance béta +. On peut citer notamment l’expérience de Cowan-Reines, les détecteurs Borexino, ou encore le détecteur KamLAND. An important category of these reactions is based, within the nucleus of an atom, on the transformation of a proton into a neutron with an emission of a positive electron, known as beta + pseudo-decay. We can cite in particular the Cowan-Reines experiment, the Borexino detectors, or the KamLAND detector.
Une autre catégorie de ces réactions est basée sur la transformation d’un neutron en proton avec une émission d’un électron, dite pseudo-décroissance béta -. On peut citer le détecteur GALLEX en Italie utilisant le gallium transmuté en Germanium par le neutrino, ou le détecteur « Homestake Gold mine » utilisant le couple Chlore-Argon. Another category of these reactions is based on the transformation of a neutron into a proton with an emission of an electron, known as beta - pseudo-decay. Mention may be made of the GALLEX detector in Italy using gallium transmuted into Germanium by the neutrino, or the “Homestake Gold mine” detector using the Chlorine-Argon pair.
Par ailleurs, la réaction élémentaire (2) Moreover, the elementary reaction (2)
(2) n° + v° -> p+ + e symétrique de la réaction (1), qu’on peut appeler « décroissance béta stimulée », présente une difficulté pratique majeure : elle nécessite de travailler avec des neutrons libres dont la densité (environ 108 /cm3 dans un réacteur) peut difficilement atteindre les densités de noyaux d’un objet usuel (par exemple de l’ordre de 1023 noyaux/cm3 de gallium ou de chlore pour les détecteurs cités ci-dessus). (2) n ° + v ° -> p + + e symmetrical to reaction (1), which can be called “stimulated beta decay”, presents a major practical difficulty: it requires working with free neutrons whose density (around 108 / cm3 in a reactor) can hardly reach the densities nuclei of a common object (for example of the order of 1023 nuclei / cm3 of gallium or chlorine for the detectors mentioned above).
La demande SU 1396104 a pour objet un procédé de détermination de la masse des neutrinos. Dans le procédé décrit, on détruit la directionnalisé des particules, dans la mesure où on applique un champ magnétique pour les dévier. Application SU 1396104 relates to a method for determining the mass of neutrinos. In the process described, the directionalization of the particles is destroyed, insofar as a magnetic field is applied to deflect them.
Il en est de même dans le procédé décrit dans l’article « Measurement of the Neutrino Asymmetry Parameter B in Neutron Decay », qui porte sur la mesure du paramètre B de l'asymétrie des neutrinos dans la désintégration des neutrons. On utilise également un champ magnétique pour dévier les particules. The same is true of the method described in the article "Measurement of the Neutrino Asymmetry Parameter B in Neutron Decay", which focuses on the measurement of the B parameter of neutrino asymmetry in neutron decay. A magnetic field is also used to deflect the particles.
Aussi, on ne peut pas dans ces procédé détecter des particules élémentaires, en détectant leur énergie et leur direction. Also, in these methods, it is not possible to detect elementary particles, by detecting their energy and their direction.
Il existe donc un besoin pour bénéficier d’un procédé et d’un dispositif de détection de neutrinos à la fois relativement peu coûteux à la fois énergétiquement et économiquement, et pratique à mettre en œuvre. There is therefore a need to benefit from a method and a device for detecting neutrinos which are at the same time relatively inexpensive, both energetically and economically, and practical to implement.
Exposé de l’invention Procédé Disclosure of the invention Process
Selon un premier de ses aspects, l'invention a ainsi pour objet un procédé de détection de neutrinos, comportant les étapes suivantes : According to a first of its aspects, the subject of the invention is thus a method for detecting neutrinos, comprising the following steps:
(a) fournir des neutrons libres dans une zone de collision, notamment au moyen d’une source de neutrons libres, (a) provide free neutrons in a collision zone, in particular by means of a source of free neutrons,
(b) détecter au moins une particule élémentaire émise dans la zone de collision, notamment un électron et/ou un proton, en détectant notamment son énergie et/ou sa direction,(b) detecting at least one elementary particle emitted in the collision zone, in particular an electron and / or a proton, in particular by detecting its energy and / or its direction,
(c) déterminer à partir de la ou des particules élémentaires détectées, notamment de leur énergie et/ou de leur direction, une information sur au moins un neutrino arrivé dans la zone de collision et entré en collision avec un neutron libre présent dans la zone de collision. (c) determining from the elementary particle (s) detected, in particular their energy and / or their direction, information on at least one neutrino which has arrived in the collision zone and has collided with a free neutron present in the zone collision.
L’invention a notamment pour objet, selon l’un de ses aspects, un procédé de détection de neutrinos, comportant les étapes suivantes : The invention relates in particular, according to one of its aspects, to a method for detecting neutrinos, comprising the following steps:
(a) fournir des neutrons libres dans une zone de collision, notamment au moyen d’une source de neutrons libres, (a) provide free neutrons in a collision zone, in particular by means of a source free neutrons,
(b) détecter des particules élémentaires émises dans la zone de collision, notamment un électron et un proton, en détectant leur énergie et leur direction, (b) detecting elementary particles emitted in the collision zone, in particular an electron and a proton, by detecting their energy and their direction,
(c) déterminer à partir de l’énergie et de la direction des particules élémentaires détectées, une information sur au moins un neutrino arrivé dans la zone de collision et entré en collision avec un neutron libre présent dans la zone de collision. (c) determine from the energy and direction of the elementary particles detected, information on at least one neutrino which has arrived in the collision zone and has collided with a free neutron present in the collision zone.
La particule élémentaire émise peut résulter de la réaction d’un neutrino avec un neutron. Il peut s’agir notamment d’un proton et d’un électron tous deux issus d’une unique réaction entre un neutrino et un neutron. Le procédé est ainsi basé sur la réaction élémentaire (2) ci-dessus. The elementary particle emitted can result from the reaction of a neutrino with a neutron. It can be in particular a proton and an electron both resulting from a single reaction between a neutrino and a neutron. The process is thus based on the elementary reaction (2) above.
L’obtention d’une information sur ledit au moins un neutrino peut permettre de déterminer la nature de la source du neutrino. La source de neutrinos peut par exemple être choisie dans la liste suivante, qui n’est pas limitative : soleil, supemovæ, centrale nucléaire, accélérateur de particules, installation nucléaire civile ou militaire, sous-marin nucléaire. Les neutrinos issus du soleil ont un flux à la surface de la terre de l’ordre de 6,5.1010 neutrinos/cm2/s. Obtaining information on said at least one neutrino can make it possible to determine the nature of the source of the neutrino. The source of neutrinos can for example be chosen from the following list, which is not exhaustive: sun, supemova, nuclear power station, particle accelerator, civil or military nuclear installation, nuclear submarine. Neutrinos from the sun have a flux at the earth's surface of the order of 6.5.10 10 neutrinos / cm2 / s.
Elle a en outre des applications pratiques considérables notamment dans les domaines suivants : communication, navigation, contrôles des engins nucléaires, imagerie de corps célestes telles que les planètes et production d’énergie. It also has considerable practical applications in particular in the following fields: communication, navigation, controls of nuclear devices, imagery of celestial bodies such as planets and energy production.
Les neutrinos arrivés dans la zone de collision peuvent ne pas être répartis de manière homogène. La détection d’une inhomogénéité peut permettre de déterminer la nature et/ou la localisation de la source du neutrino. Dans l’invention, on peut en particulier chercher à déterminer une inhomogénéité dans la répartition, notamment la répartition spatiale, des neutrinos arrivés dans la zone de collision et entrés en collision avec des neutrons libres présents dans la zone de collision. Neutrinos arriving in the collision zone may not be evenly distributed. Detection of inhomogeneity can determine the nature and / or location of the source of the neutrino. In the invention, it is possible in particular to seek to determine an inhomogeneity in the distribution, in particular the spatial distribution, of the neutrinos which have arrived in the collision zone and have collided with free neutrons present in the collision zone.
Améliorer la détection des neutrinos est également d’un très grand intérêt scientifique, notamment pour la consolidation des modèles de physique théorique. Improving the detection of neutrinos is also of great scientific interest, in particular for the consolidation of models of theoretical physics.
Le flux de neutrinos solaire sur terre est de l’ordre de 6,4 x 1010 cm 2 s 1. Le nombre de neutrinos arrivés dans la zone de collision et qui peuvent entrer en collision avec un neutron libre présent dans cette zone de collision est dépendant de la densité et de la vitesse des neutrons. Par exemple, pour un faisceau thermique avec des neutrons d’énergie 0,025eV et un flux de 10L6 n.s-l.cm-2 et de section de 1cm2 et pour un orifice d’exposition de 1cm2, donc un volume de lcm3 avec un équivalent densité de 10L6 n/cm3, il peut par exemple être de l’ordre de 1000 neutrinos par seconde. The solar neutrino flux on earth is of the order of 6.4 x 10 10 cm 2 s 1 . The number of neutrinos which have arrived in the collision zone and which can collide with a free neutron present in this collision zone is dependent on the density and the speed of the neutrons. For example, for a thermal beam with neutrons of energy 0.025eV and a flux of 10 L 6 ns-l.cm- 2 and of section of 1cm 2 and for an exposure orifice of 1cm 2 , therefore a volume of lcm3 with a density equivalent of 10 L 6 n / cm3, it can for example be of the order of 1000 neutrinos per second.
Ainsi, selon les modes de réalisation, le nombre de neutrinos arrivés dans la zone de collision peut par exemple être supérieur à 1000 neutrinos par minute, mieux supérieur à 100 000 neutrinos par minute. Le nombre de neutrinos arrivés dans la zone de collision et entrés en collision avec un neutron libre présent dans la zone de collision peut par exemple être inférieur à 100 000 neutrinos par minute, voire inférieur à 1000 neutrinos par minute, mieux inférieur à 10 neutrinos par minute. Thus, according to the embodiments, the number of neutrinos arriving in the collision zone can for example be greater than 1000 neutrinos per minute, better still greater than 100,000 neutrinos per minute. The number of neutrinos arriving in the collision zone and colliding with a free neutron present in the collision zone can for example be less than 100,000 neutrinos per minute, or even less than 1000 neutrinos per minute, better still less than 10 neutrinos per minute. minute.
On peut déterminer à l’étape (c) l’énergie et/ ou la direction d’arrivée dudit neutrino arrivé dans la zone de collision et entré en collision avec un neutron libre présent dans la zone de collision. Le spectre énergétique des neutrinos détectés peut être compris entre 0,78 MeV et plusieurs TeV. Il peut par exemple être compris entre 0,78 MeV et 100 TeV, mieux entre 0,78 MeV et 1 GeV, voire entre 0,78 MeV et 10 MeV. La détermination du spectre énergétique des particules détectés, notamment protons et électrons, peut permettre de déterminer la direction de la position de la source dudit neutrino. We can determine in step (c) the energy and / or direction of arrival of said neutrino arrived in the collision zone and collided with a free neutron present in the collision zone. The energy spectrum of the detected neutrinos can be between 0.78 MeV and several TeV. It may for example be between 0.78 MeV and 100 TeV, better still between 0.78 MeV and 1 GeV, or even between 0.78 MeV and 10 MeV. The determination of the energy spectrum of the particles detected, in particular protons and electrons, can make it possible to determine the direction of the position of the source of said neutrino.
On peut déterminer la direction de la position de la source de neutrinos par rapport à une source de référence connue. Une source de référence connue est une source pour laquelle on connaît le spectre énergétique et la direction de la position. Il peut s’agir par exemple du soleil. Si on connaît l’heure, on connaît la position du soleil, et on peut en déduire la direction de la position de la source du neutrino détecté. On peut par exemple détecter l’apparition d’une supemovæ alors que sa lumière visible est encore très faible. On peut détecter l’énergie et/ ou la direction d’arrivée dudit neutrino avec une précision donnée. The direction of the position of the neutrino source can be determined relative to a known reference source. A known reference source is a source for which the energy spectrum and the direction of the position are known. It could be the sun, for example. If we know the time, we know the position of the sun, and we can deduce the direction of the position of the source of the detected neutrino. For example, we can detect the appearance of a supemova when its visible light is still very weak. The energy and / or direction of arrival of said neutrino can be detected with a given precision.
On peut déterminer à l’étape (c) une information sur la distance de la source de neutrinos de laquelle est issue ledit neutrino arrivé dans la zone de collision et entré en collision avec un neutron libre présent dans la zone de collision. A cet effet, on met en œuvre le procédé selon l’invention pendant une durée très longue, par exemple de plusieurs semaines, plusieurs mois ou même plusieurs années. On peut ainsi détecter l’évolution dans le temps du nombre et des caractéristiques des collisions entre un neutrino et un neutron libre présent dans la zone de collision. On obtient ainsi une information sur la densité de la source de neutrinos et sur sa distance. In step (c), information can be determined on the distance from the neutrino source from which said neutrino arrived in the collision zone and collided with a free neutron present in the collision zone. To this end, the method according to the invention is carried out for a very long period, for example several weeks, several months or even several years. We can thus detect the evolution over time of the number and characteristics of collisions between a neutrino and a free neutron present in the collision zone. Information is thus obtained on the density of the neutrino source and its distance.
On peut détecter à l’étape (b) l’énergie et/ou la direction de la particule élémentaire émise dans la zone de collision, notamment un électron et/ou un proton. La particule élémentaire émise peut être dotée d’une certaine énergie cinétique dépendant de l’énergie du neutrino incident. It is possible to detect in step (b) the energy and / or the direction of the elementary particle emitted in the collision zone, in particular an electron and / or a proton. The elementary particle emitted can be endowed with a certain kinetic energy depending on the energy of the incident neutrino.
Les particules élémentaires émises acquièrent ainsi une gamme d’énergie cinétique qui dépend de l’énergie du neutrino incident. Elles se répartissent dans des directions et des impulsions, dépendantes de la trajectoire et de l’énergie initiale du neutrino incident. L’ensemble de ces trajectoires génèrent un spectre de trajectoires et d’impulsions qui est lié à la direction de la position de la source des neutrinos par rapport au dispositif de détection pour une énergie donnée de ces neutrinos. The elementary particles emitted thus acquire a range of kinetic energy which depends on the energy of the incident neutrino. They distribute themselves in directions and pulses, depending on the trajectory and the initial energy of the incident neutrino. All of these trajectories generate a spectrum of trajectories and pulses which is related to the direction of the position of the source of the neutrinos with respect to the detection device for a given energy of these neutrinos.
On peut détecter à l’étape (b) une paire de particules élémentaires issues de la réaction d’un neutrino avec un neutron, notamment d’un proton et d’un électron issus d’une unique réaction entre un neutrino et un neutron. We can detect in step (b) a pair of elementary particles resulting from the reaction of a neutrino with a neutron, in particular of a proton and an electron resulting from a single reaction between a neutrino and a neutron.
On détecte ainsi les deux particules chargées produites, à savoir le proton et l’électron, et, à partir de leurs trajectoires, on peut établir la direction du neutrino incident et/ou son énergie. The two charged particles produced, namely the proton and the electron, are thus detected and, from their trajectories, the direction of the incident neutrino and / or its energy can be established.
La détection d’une paire de proton et électron issus d’une unique réaction peut permettre de déterminer l’énergie du neutrino, notamment avec une précision plus grande et une incertitude plus faible. La détection d’une seule particule élémentaire proton ou électron est suffisante pour obtenir une information sur l’énergie du neutrino, mais avec une certaine incertitude et une précision plus faible. Detecting a pair of proton and electron from a single reaction can determine the energy of the neutrino, especially with greater precision and lower uncertainty. The detection of a single elementary proton or electron particle is sufficient to obtain information on the energy of the neutrino, but with some uncertainty and lower precision.
La détection d’une paire de proton et électron issus d’une unique réaction peut permettre de déterminer l’énergie du neutrino, notamment avec une précision plus grande et une incertitude plus faible. Detecting a pair of proton and electron from a single reaction can determine the energy of the neutrino, especially with greater precision and lower uncertainty.
La détection d’une seule particule élémentaire proton ou électron est suffisante pour obtenir une information sur l’énergie du neutrino, mais avec une certaine incertitude et une précision plus faible. L’incertitude sur la détermination de l’énergie du neutrino et/ou de sa direction en cas de détection d’une paire de particules élémentaires est bien inférieure à l’incertitude sur la détermination de l’énergie du neutrino et/ou de sa direction en cas de détection d’une seule particule élémentaire, sans détection de la particule appariée. The detection of a single elementary proton or electron particle is sufficient to obtain information on the energy of the neutrino, but with some uncertainty and lower precision. The uncertainty on the determination of the energy of the neutrino and / or its direction in case of detection of a pair of elementary particles is much lower than the uncertainty of the determination of the energy of the neutrino and / or its direction in case of detection of a single elementary particle, without detection of the paired particle.
Une majorité des neutrons libres peuvent avoir un moment magnétique ayant une orientation prédéfinie, notamment plus de 60%, mieux plus de 70%, voire plus de 80% des neutrons libres ont un moment magnétique ayant une orientation prédéfinie. Les moments magnétiques des neutrons libres peuvent être alignés dans le même sens. Ils peuvent être parallèles au sens de déplacement des neutrons libres dans la zone de collision, étant dans le même sens ou dans le sens opposé, ou en variante ils peuvent être perpendiculaires au sens de déplacement des neutrons libres dans la zone de collision. Avec des neutrons libres ayant des moments magnétiques ayant une orientation prédéfinie, on peut minimiser encore l’incertitude quant à la détermination de l’énergie du neutrino et/ou de sa direction. A majority of the free neutrons can have a magnetic moment having a predefined orientation, in particular more than 60%, better still more than 70%, even more than 80% of the free neutrons have a magnetic moment having a predefined orientation. The magnetic moments of free neutrons can be aligned in the same direction. They can be parallel to the direction of movement of free neutrons in the collision zone, being in the same direction or in the opposite direction, or alternatively they can be perpendicular to the direction of movement of free neutrons in the collision zone. With free neutrons having magnetic moments having a predefined orientation, one can further minimize the uncertainty in determining the energy of the neutrino and / or its direction.
Les neutrons libres peuvent avoir une énergie comprise entre 1 meV et 14 MeV, mieux entre 1 meV et IKeV, voire entre et 1 meV et 25 meV. L’énergie des neutrons peut être faible, on parle alors de neutrons thermiques ou froids, ou elle peut être élevé, on parle alors de neutrons rapides. Dans un mode de réalisation, on utilise de préférence des neutrons à énergie faible, notamment comprise entre 1 meV et 25 meV. Cela peut permettre de minimiser les risques de rayonnement gamma ou d’émission de toute autre particule. Free neutrons can have an energy between 1 meV and 14 MeV, better still between 1 meV and IKeV, or even between and 1 meV and 25 meV. The energy of the neutrons can be low, we speak of thermal or cold neutrons, or it can be high, we speak of fast neutrons. In one embodiment, low energy neutrons are preferably used, in particular between 1 meV and 25 meV. This can help minimize the risk of gamma radiation or the emission of any other particle.
Dispositif Device
L’invention a encore pour objet, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, un dispositif pour la mise en œuvre du procédé tel que définit plus haut. The subject of the invention is also, independently or in combination with the foregoing, a device for implementing the method as defined above.
Selon un autre de ses aspects, l'invention a également pour objet un dispositif de détection de neutrinos, par exemple pour la mise en œuvre d’un procédé tel que décrit ci- dessus, comportant : According to another of its aspects, a subject of the invention is also a device for detecting neutrinos, for example for the implementation of a method as described above, comprising:
(i) une source de neutrons libres, configurée pour fournir des neutrons libres dans une zone de collision, (i) a source of free neutrons, configured to provide free neutrons in a collision zone,
(ii) un outil de détection d’au moins une particule élémentaire émise dans la zone de collision, notamment un électron et/ou un proton, configuré pour détecter notamment son énergie et/ou sa direction, (ii) a tool for detecting at least one elementary particle emitted in the collision zone, in particular an electron and / or a proton, configured in particular to detect its energy and / or its direction,
(iii) un calculateur configuré pour déterminer à partir de la ou des particules élémentaires détectées, notamment de leur énergie et/ou de leur direction, une information sur au moins un neutrino arrivé dans la zone de collision et entré en collision avec un neutron libre présent dans la zone de collision. (iii) a computer configured to determine from the elementary particle (s) detected, in particular their energy and / or their direction, information on at least one neutrino which has arrived in the collision zone and has collided with a free neutron present in the collision zone.
L’invention a notamment pour objet, selon l’un de ses aspects, un dispositif de détection de neutrinos, notamment pour la mise en œuvre du procédé tel que décrit ci-dessus, comportant : The invention relates in particular, according to one of its aspects, to a device for detecting neutrinos, in particular for implementing the method as described above, comprising:
(i) une source de neutrons libres, configurée pour fournir des neutrons libres dans une zone de collision, (i) a source of free neutrons, configured to provide free neutrons in an area collision,
(ii) un outil de détection de particules élémentaires émises dans la zone de collision, notamment un électron etun proton, configuré pour détecter leur énergie et leur direction,(ii) a tool for detecting elementary particles emitted in the collision zone, in particular an electron and a proton, configured to detect their energy and their direction,
(iii) un calculateur configuré pour déterminer à partir de l’énergie et de la direction des particules élémentaires détectées, une information sur au moins un neutrino arrivé dans la zone de collision et entré en collision avec un neutron libre présent dans la zone de collision. (iii) a computer configured to determine from the energy and direction of the elementary particles detected, information on at least one neutrino which has arrived in the collision zone and has collided with a free neutron present in the collision zone .
Le calculateur peut être configuré pour déterminer l’énergie et/ ou la direction d’arrivée dudit neutrino arrivé dans la zone de collision et entré en collision avec un neutron libre présent dans la zone de collision, notamment avec une précision donnée. The computer can be configured to determine the energy and / or the direction of arrival of said neutrino which has arrived in the collision zone and has collided with a free neutron present in the collision zone, in particular with a given precision.
L’outil de détection peut être configuré pour détecter l’énergie et/ou la direction de la particule élémentaire émise dans la zone de collision, notamment un électron et/ou un proton. L’outil de détection peut comporter un seul ou plusieurs détecteurs, par exemple deux ou trois détecteurs. The detection tool can be configured to detect the energy and / or direction of the elementary particle emitted into the collision zone, including an electron and / or a proton. The detection tool may have one or more detectors, for example two or three detectors.
Un détecteur peut comporter par exemple une mosaïque de scintillateurs, lesquels peuvent être disposés de manière plane ou de manière cylindrique, par exemple autour d’un tube. Un scintillateur émet de la lumière lorsqu’un proton ou un électron y pénètre. A detector may for example comprise a mosaic of scintillators, which may be arranged in a planar or cylindrical manner, for example around a tube. A scintillator emits light when a proton or electron enters it.
Un détecteur peut comporter en outre un photomultiplicateur, lequel peut être séparé des scintillateurs par un hublot transparent. Le photomultiplicateur permet la conversion de la lumière en signal électronique et son amplification. L’amplification de l’intensité peut être avantageusement de plusieurs ordres de grandeur. A detector can further include a photomultiplier, which can be separated from the scintillators by a transparent window. The photomultiplier allows the conversion of light into an electronic signal and its amplification. The amplification of the intensity can advantageously be several orders of magnitude.
En variante, on peut utiliser tout autre type de détection de protons ou d’électrons, à base électrique ou magnétique. Le ou les détecteurs peuvent par exemple être sensibles à la charge des particules détectées, par exemple par utilisation de mesure de charge électrique ou CCD (en anglais « Charge-Coupled Device »). Alternatively, any other type of proton or electron detection, electrically or magnetic based, can be used. The detector (s) may for example be sensitive to the charge of the particles detected, for example by using an electrical charge measurement or CCD (in English “Charge-Coupled Device”).
L’outil de détection peut être configuré pour détecter une paire de particules élémentaires issues de la réaction d’un neutrino avec un neutron, notamment d’un proton et d’un électron issus d’une unique réaction entre un neutrino et un neutron. The detection tool can be configured to detect a pair of elementary particles resulting from the reaction of a neutrino with a neutron, including a proton and an electron resulting from a single reaction between a neutrino and a neutron.
D’autres phénomènes peuvent constituer des sources de bruit, plus ou moins intenses suivant le principe actif de l’outil de détection et des détecteurs, à savoir par exemple détection de charge ou scintillation. Il peut s’agir de la capture des neutrons par les matériaux du dispositif de détection, de phénomènes cosmiques tels que l’arrivée de muons, de neutrons, ou d’autres particules diverses, et enfin de phénomènes telluriques, tels que des rayonnement gammas terrestres. Other phenomena can constitute sources of noise, more or less intense depending on the active principle of the detection tool and of the detectors, namely for example charge detection or scintillation. It may be the capture of neutrons by the materials of the detection device, cosmic phenomena such as the arrival of muons, neutrons, or other various particles, and finally telluric phenomena, such as terrestrial gamma radiation.
Ces sources de bruit peuvent être atténuées par des dispositions prises dans la conception du dispositif de détection. Celui-ci peut par exemple être placé à une distance suffisante des lieux susceptibles d’être le siège d’interactions entre des neutrons et la matière, afin d’éviter que des rayons gammas soient produits par capture radiative des neutrons. Des protections, par exemple en matière lourde telle que plomb ou tungstène par exemple, peuvent être placées le cas échéant entre ces lieux et les parties sensibles de l’outil de détection pour l’absorption des rayonnements gammas. Le dispositif de détection peut alternativement ou additionnellement comporter des protections externes le cas échéant pour la protection anticosmique et antitellurique. These noise sources can be attenuated by measures taken in the design of the detection device. This can, for example, be placed at a sufficient distance from places likely to be the site of interactions between neutrons and matter, in order to prevent gamma rays from being produced by radiative capture of neutrons. Protections, for example made of heavy material such as lead or tungsten for example, can be placed if necessary between these places and the sensitive parts of the detection tool for the absorption of gamma radiation. The detection device may alternatively or additionally comprise external protections, where appropriate, for anticosmic and antitelluric protection.
La zone de collision peut être définie par un organe limiteur. L’organe limiteur peut permettre de limiter la zone de collision, permettant de confiner les réactions possibles entre un neutron libre fourni et un neutrino à la zone de collision. L’organe limiteur peut par exemple comporter un tube dans lequel sont présents les neutrons libres sous une forme stationnaire, ou dans lequel circule les neutrons libres, par exemple sous la forme d’un faisceau de neutrons libres. L’organe limiteur peut s’étendre selon une direction d’élongation, laquelle peut par exemple être parallèle, voir confondue, avec un axe longitudinal du faisceau de neutrons libres. The collision zone can be defined by a limiting device. The limiting device can help to limit the collision zone, making it possible to confine possible reactions between a supplied free neutron and a neutrino at the collision zone. The limiting member may for example comprise a tube in which the free neutrons are present in a stationary form, or in which the free neutrons circulate, for example in the form of a beam of free neutrons. The limiting member may extend in an elongation direction, which may for example be parallel, or even coincident, with a longitudinal axis of the free neutron beam.
L’utilisation d’un organe limiteur peut permettre de limiter le volume des réactions utiles : les productions de protons et électrons réalisées hors de ce volume n’entrainent alors pas de détection de particules car les particules sont stoppées par une barrière physique. L’organe limiteur peut comporter à cet effet par exemple une petite épaisseur de métal, sur leur chemin possible vers les zones de détection. The use of a limiting device can make it possible to limit the volume of useful reactions: the production of protons and electrons produced outside this volume then does not result in particle detection because the particles are stopped by a physical barrier. For this purpose, the limiting member may include, for example, a small thickness of metal, on their possible path to the detection zones.
Le volume définit par l’organe limiteur représente donc le lieu de création et de départ unique des particules élémentaires qui peuvent être détectées et sera donc utilisé comme point d’origine pour les calculs de trajectoires. L’organe limiteur permet de limiter l’étendue géométrique de l’ensemble des points de départ des particules élémentaires détectées. Comme on n’a pas accès au point de départ effectif, tout point non occulté par l’organe limiteur est un point de départ potentiel dont il faut tenir compte dans la détermination des trajectoires. La réduction de l’organe limiteur permet donc d’être plus précis sur l’élaboration des trajectoires au détriment du nombre d’événements détectables par unité de temps. On peut très bien fonctionner avec un organe limiteur très grand ou sans l’organe limiteur le cas échéant. The volume defined by the limiting member therefore represents the place of creation and single departure of the elementary particles which can be detected and will therefore be used as the point of origin for the trajectory calculations. The limiting member makes it possible to limit the geometric extent of all the starting points of the elementary particles detected. As we do not have access to the actual starting point, any point not obscured by the limiting device is a potential starting point which must be taken into account in determining the trajectories. The reduction of the limiting device therefore makes it possible to be more precise in the development of trajectories to the detriment of the number of detectable events. per unit of time. It is possible to operate very well with a very large limiting member or without the limiting member, if necessary.
L’organe limiteur peut comporter un ou plusieurs orifices permettant à la ou aux particules élémentaires émises dans la zone de collision d’atteindre l’outil de détection. Le ou lesdits orifices peuvent être répartis sur la périphérie de l’outil limiteur. Le tube peut par exemple comporter un ou plusieurs orifices répartis sur sa périphérie. The limiting device may include one or more orifices allowing the elementary particle or particles emitted in the collision zone to reach the detection tool. Said orifice (s) can be distributed over the periphery of the limiting tool. The tube may for example include one or more orifices distributed over its periphery.
Le ou les orifices peuvent avoir un diamètre d’ouverture D compris entre 0,1 mm et 100 mm, mieux entre 1 mm et 10 mm, voire entre 3 mm et 5 mm. Plus le diamètre d’ouverture D est petit, meilleure est la précision angulaire de la détermination de la direction de la position de la source de neutrinos. Plus le diamètre d’ouverture D est grand, meilleur est le nombre par unité de temps de particules élémentaires détectées, ce qui améliore la qualité de la détermination. The orifice (s) may have an opening diameter D of between 0.1 mm and 100 mm, better still between 1 mm and 10 mm, or even between 3 mm and 5 mm. The smaller the opening diameter D, the better the angular accuracy in determining the direction of the position of the neutrino source. The larger the opening diameter D, the better the number per unit time of elementary particles detected, which improves the quality of the determination.
Une distance H entre l’organe limiteur et le détecteur peut être comprise entre 10 mm et 10000 mm, mieux entre 100 mm et 1000 mm, voire entre 50 mm et 100 mm. Plus la distance H est grande, meilleure est la précision angulaire de la détermination de la direction de la position de la source de neutrinos. Plus la distance H est petite, plus grands sont les écarts de temps de vol entre les protons et les électrons, et donc plus est difficile leur appariement. A distance H between the limiting member and the detector may be between 10 mm and 10,000 mm, better still between 100 mm and 1,000 mm, or even between 50 mm and 100 mm. The greater the distance H, the better the angular accuracy in determining the direction of the position of the neutrino source. The smaller the distance H, the greater the time-of-flight differences between protons and electrons, and therefore the more difficult their pairing.
Avec un diamètre d’ouverture D petit et/ou une distance H entre l’organe limiteur et le détecteur petite, on peut améliorer les précisions géométriques angulaires sur le calcul de trajectoires. C’est en particulier le rapport entre ces deux valeurs qui peut déterminer la précision de la mesure. With a small opening diameter D and / or a small distance H between the limiter member and the detector, the angular geometric accuracy of the trajectory calculation can be improved. It is in particular the relationship between these two values that can determine the accuracy of the measurement.
Avec un diamètre d’ouverture D plus grand et/ou une distance H entre l’organe limiteur et le détecteur plu grande, on peut augmenter le champ de vue de l’instrument, avec un plus grand angle solide de détection de sources. With a larger opening diameter D and / or a larger distance H between the limiter and the detector, the field of view of the instrument can be increased, with a greater solid angle of source detection.
Dans une variante de réalisation, le dispositif est dépourvu d’organe limiteur.In an alternative embodiment, the device does not have a limiting member.
Le dispositif de détection peut comporter une chambre à vide dans laquelle peuvent être introduit les neutrons. The detection device may include a vacuum chamber into which the neutrons can be introduced.
Le dispositif de détection peut comporter une ou plusieurs électrodes de polarisation. La ou les électrodes de polarisation peuvent permettre d’améliorer la discrimination dans la détection de la polarité des particules élémentaires émises, notamment un électron et/ou un proton, ce qui permet d’améliorer les mesures énergétiques. On peut ainsi mieux distinguer la polarité d’une particule élémentaire détectée, et mieux apparier un proton avec un électron issu de la même réaction entre un neutrino et un neutron. The detection device can include one or more polarization electrodes. The polarization electrode (s) can make it possible to improve the discrimination in the detection of the polarity of the elementary particles emitted, in particular an electron and / or a proton, which makes it possible to improve the energy measurements. We can thus better distinguish the polarity of a detected elementary particle, and better match a proton with an electron resulting from the same reaction between a neutrino and a neutron.
Le dispositif de détection peut comporter en outre des moyens de traitement de l’information configurés pour déterminer, à partir de l’énergie cinétique des particules élémentaires issues de la réaction entre le neutron et le neutrino incident, notamment les protons et électrons, les énergies initiales du neutron et du neutrino, qui en sont fortement dépendantes. Dans le cas d’une énergie limitée du neutron, les particules émises ont une certaine distribution spatiale et énergétique ou impulsion qui peut permettre de caractériser la source de neutrinos en termes d’énergie et de direction. The detection device may further include information processing means configured to determine, from the kinetic energy of the elementary particles resulting from the reaction between the neutron and the incident neutrino, in particular the protons and electrons, the energies initials of the neutron and the neutrino, which are highly dependent on them. In the case of limited neutron energy, the emitted particles have a certain spatial and energetic distribution or momentum that can characterize the source of neutrinos in terms of energy and direction.
La quantité de lumière produite par les interactions des particules élémentaires, protons et électrons, peut être une fonction monotone croissante de l’énergie cinétique ou impulsion de ces particules élémentaires et peut alors être mesurée et enregistrée par le dispositif de détection. Dans le cas d’une détection par d’autres moyens que la lumière, basés par exemple sur la détection de particules chargées en mouvement, l’énergie peut être appréhendées par l’utilisation de champs électriques et/ou magnétiques. The amount of light produced by the interactions of elementary particles, protons and electrons, can be a monotonically increasing function of the kinetic energy or momentum of these elementary particles and can then be measured and recorded by the detection device. In the case of detection by means other than light, based for example on the detection of moving charged particles, the energy can be captured through the use of electric and / or magnetic fields.
Les informations de base qui peuvent être acquises et mesurées sont les suivantes : énergie déposée lors de la détection des particules élémentaires, lieu de dépôt de ces énergies, ces lieux pouvant permettre d’établir les trajectoires du proton et de l’électron à partir de la zone de l’organe limiteur. La précision d’impact pourra être de l’ordre du millimètre. The basic information that can be acquired and measured are the following: energy deposited during the detection of elementary particles, place of deposition of these energies, these places being able to make it possible to establish the trajectories of the proton and the electron from the area of the limiting organ. The impact accuracy can be on the order of a millimeter.
On peut également mesurer la date d’arrivée très précise, avec une précision de l’ordre de la nanoseconde, de chacune des deux particules élémentaires proton et électron issus d’une même réaction entre un neutron et un neutrino incident. On peut également déterminer si les deux particules élémentaires sont issues de la même réaction ou non, par coïncidence temporelle ou non. We can also measure the very precise arrival date, with a precision of the order of a nanosecond, of each of the two elementary particles, proton and electron, resulting from the same reaction between a neutron and an incident neutrino. It is also possible to determine whether the two elementary particles result from the same reaction or not, by temporal coincidence or not.
Le dispositif de détection peut comporter par exemple, assemblés en chaîne de traitement permettant les acquisitions, un ou des scintillateurs ou alternativement des dispositifs de mesure de charge électrique, une paroi de transmission telle qu’un hublot transparent, un ou des photomultiplicateurs. Le dispositif de détection peut permettre la mesure de charges dans une carte électronique de proximité, la digitalisation et le traitement numérique dans une carte multivoie, puis le stockage dans un ordinateur de la suite des informations collectées. Une phase d’étalonnage et de calibration peut être nécessaire pour établir les paramètres opérationnels de traitement des informations. Cette phase d’étalonnage et de calibration peut comprendre une phase où peuvent être utilisés des moyens de création et d’impulsion variable de particules chargées du type électron et proton afin d’établir la courbe de réponse en énergie de l’instrument (équivalence énergie déposée - énergie transportée). The detection device may for example comprise, assembled in a processing chain allowing acquisitions, one or more scintillators or alternatively devices for measuring the electrical charge, a transmission wall such as a transparent window, one or more photomultipliers. The detection device can allow the measurement of charges in a proximity electronic card, digitization and digital processing in a multi-channel card, then the storage in a computer of the rest of the information collected. A calibration and calibration phase may be necessary to establish the operational parameters for processing the information. This calibration and calibration phase can include a phase in which means can be used for the creation and variable impulse of charged particles of the electron and proton type in order to establish the energy response curve of the instrument (energy equivalence deposited - transported energy).
Cette phase d’étalonnage et de calibration peut comprendre une exposition à une ou des sources de neutrinos établies ou connues comme par exemple le soleil, à des fins de calibration. Cette calibration peut être effectuée selon les principes et méthodes suivants : détermination des caractéristiques temporelles et énergétiques des coïncidences protons- électrons obtenues et notamment vérification des cohérences entre énergies déposées et écart de temps de vol, puis traitement des coïncidences de détection proton-électrons. This calibration and calibration phase may include exposure to one or more established or known neutrino sources such as the sun, for example, for calibration purposes. This calibration can be carried out according to the following principles and methods: determination of the temporal and energy characteristics of the proton-electron coincidences obtained and in particular verification of the coherences between the energies deposited and the time-of-flight deviation, then processing of the proton-electron detection coincidences.
Le traitement des coïncidences de détection proton-électrons peut être effectué en établissant des lieux d’impacts et trajectoires des protons et électrons trié par énergie déposée des protons et électrons en supposant que les neutrinos correspondants sont issus du soleil et ont donc une trajectoire et des énergies connus vis-à-vis du dispositif de détection par construction. The processing of proton-electron detection coincidences can be performed by establishing impact locations and trajectories of protons and electrons sorted by deposited energy of protons and electrons assuming that the corresponding neutrinos originate from the sun and therefore have a trajectory and known energies with respect to the detection device by construction.
Le traitement des coïncidences de détection proton-électrons peut être effectué en établissant ensuite une fonction de calibration liant trajectoire du neutrino, énergies déposées et distribution des impacts et trajectoires du proton et de l’électron The processing of proton-electron detection coincidences can be carried out by then establishing a calibration function linking the trajectory of the neutrino, deposited energies and the distribution of impacts and trajectories of the proton and the electron
On établit ensuite un spectre selon les énergies déposées et par conversion de ce spectre en énergie des particules incidentes (neutrinos) en fonction des spectres établis par la bibliographie pour la source considérée. A spectrum is then established according to the energies deposited and by converting this spectrum into the energy of the incident particles (neutrinos) according to the spectra established by the bibliography for the source considered.
On analyse ensuite des événements singuliers, c’est-à-dire non coïncidents.We then analyze singular, that is to say, non-coincident events.
Ces éléments de calibration peuvent être réalisés avec des caractéristiques géométriques variables de l’organe limiteur, permettant d’ajuster la fréquence des événements, la précision géométrique des calculs de trajectoires et la répartition en fréquence des événements singuliers et des couples de particules coïncidentes. These calibration elements can be performed with variable geometric characteristics of the limiter member, allowing adjustment of the frequency of events, the geometric precision of trajectory calculations and the frequency distribution of singular events and pairs of coincident particles.
La fonction de calibration établie lors de la phase de calibration peut permettre de traiter les événements lors de l’utilisation opérationnelle afin d’établir pour chaque événement de coïncidence les probabilités associées aux énergies et trajectoires possibles des neutrinos incidents. La détection des énergies et positions d’une seule paire de proton- électron peut permettre d’établir l’énergie mais pas nécessairement pas la trajectoire du neutrino incident. The calibration function established during the calibration phase can make it possible to process the events during operational use in order to establish for each coincidence event the probabilities associated with the energies and possible trajectories of the incident neutrinos. The detection of the energies and positions of a single pair of protons electron can be used to establish the energy but not necessarily the trajectory of the incident neutrino.
La fonction de calibration établie lors de la phase de calibration peut permettre de traiter les événements lors de G utilisation opérationnelle afin, pour un ensemble d’événements, de retraiter ces probabilités avec un principe de maximum de vraisemblance pour définir le spectre et la position des sources de neutrinos qui auront pu être identifiées ou pressenties. The calibration function established during the calibration phase can make it possible to process the events during G operational use in order, for a set of events, to reprocess these probabilities with a principle of maximum likelihood to define the spectrum and the position of the sources of neutrinos which could have been identified or foreseen.
Selon un autre de ses aspects, l'invention a également pour objet un détecteur de réacteur nucléaire par détection de neutrinos issus du réacteur nucléaire, comportant un dispositif de détection de neutrinos tel que décrit plus haut. Le détecteur selon l’invention permet la détection et la localisation de n’importe quel réacteur nucléaire, par exemple une centrale nucléaire, un accélérateur de particules, une installation nucléaire civile ou militaire, un sous-marin nucléaire. According to another of its aspects, the subject of the invention is also a nuclear reactor detector by detection of neutrinos originating from the nuclear reactor, comprising a device for detecting neutrinos as described above. The detector according to the invention allows the detection and location of any nuclear reactor, for example a nuclear power station, a particle accelerator, a civil or military nuclear installation, a nuclear submarine.
Le procédé et le dispositif selon l’invention peuvent permettre de déterminer le positionnement d’un sous-marin, d’effectuer une cartographie spatiale ou terrestre, par exemple des matériaux radioactifs de la terre, d’effectuer un suivi de sources de neutrinos mobiles ou immobiles, de caractériser une source ou des sources de neutrinos. Ils peuvent être utilisés dans des applications de communication, de navigation et d’imagerie par géologie. Ils peuvent par exemple être mis en œuvre sur terre ou sur un satellite. The method and the device according to the invention can make it possible to determine the positioning of a submarine, to carry out spatial or terrestrial mapping, for example of radioactive materials from the earth, to carry out monitoring of mobile neutrino sources. or immobile, to characterize a source or sources of neutrinos. They can be used in communication, navigation and geological imaging applications. They can for example be implemented on earth or on a satellite.
Fourniture des neutrons Supply of neutrons
De préférence, les neutrons fournis sont des neutrons libres. Par « neutrons libres », on entend des neutrons qui ne sont pas liés à un noyau. Preferably, the neutrons provided are free neutrons. By “free neutrons” is meant neutrons which are not bound to a nucleus.
Les neutrons libres peuvent être sous une forme stationnaire, par exemple étant issus d’une réaction neutronigène locale, ou dans lequel circule les neutrons libres, par exemple sous la forme d’un faisceau de neutrons libres. Le faisceau peut être cylindrique ou non, ayant par exemple une forme en section particulière. The free neutrons can be in a stationary form, for example coming from a local neutronogenic reaction, or in which the free neutrons circulate, for example in the form of a beam of free neutrons. The bundle may or may not be cylindrical, for example having a particular cross-sectional shape.
Certains des neutrons libres fournis peuvent avoir un moment magnétique ayant une orientation prédéfinie. Par « moment magnétique », on entend le moment magnétique intrinsèque de la particule, à savoir le neutron. Some of the free neutrons provided may have a magnetic moment with a predefined orientation. By "magnetic moment" is meant the intrinsic magnetic moment of the particle, namely the neutron.
Une majorité des neutrons libres peuvent avoir un moment magnétique ayant une orientation prédéfinie, notamment plus de 60%, mieux plus de 70%, voire plus de 80% des neutrons libres peuvent avoir un moment magnétique ayant une orientation prédéfinie. Les moments magnétiques des neutrons libres peuvent être alignés dans le même sens. Ils peuvent être parallèles au sens de déplacement des neutrons libres dans la zone de collision, étant dans le même sens ou dans le sens opposé, ou en variante ils peuvent être perpendiculaires au sens de déplacement des neutrons libres dans la zone de collision. A majority of the free neutrons can have a magnetic moment having a predefined orientation, in particular more than 60%, better still more than 70%, even more than 80% of the free neutrons can have a magnetic moment having a predefined orientation. The magnetic moments of free neutrons can be aligned in the same direction. They can be parallel to the direction of movement of free neutrons in the collision zone, being in the same direction or in the opposite direction, or alternatively they can be perpendicular to the direction of movement of free neutrons in the collision zone.
Les neutrons peuvent être produits par tout type de source de neutrons, tel que par exemple : réacteur nucléaire, accélérateur de particules, sources radioactives, générateurs portables, cette liste n’étant pas limitative. Neutrons can be produced by any type of neutron source, such as, for example: nuclear reactor, particle accelerator, radioactive sources, portable generators, this list not being exhaustive.
On peut produire les neutrons par une réaction de fission nucléaire. Les neutrons produits par un réacteur nucléaire peuvent être utilisés pour constituer un faisceau. Neutrons can be produced by a nuclear fission reaction. Neutrons produced by a nuclear reactor can be used to form a beam.
Les neutrons peuvent être également produits par une source locale intégrée au dispositif ou proche. The neutrons can also be produced by a local source integrated into the device or close to it.
Une autre technologie qui peut être utilisée pour la production de neutrons est la spallation, c’est-à-dire l’interaction de photons énergétiques, particules énergétiques ou noyaux légers fortement accélérés (de l’ordre du MeV au GeV) avec des noyaux lourds et/ou riches en neutrons. L’impact du faisceau énergétique incident (proton, électron ou photons) sur ces noyaux libère les neutrons en fissionnant les noyaux ou en arrachant les neutrons excédentaires dans un cône directionnel. Another technology that can be used for the production of neutrons is spallation, i.e. the interaction of energetic photons, energetic particles or strongly accelerated light nuclei (in the order of MeV to GeV) with nuclei. heavy and / or rich in neutrons. The impact of the incident energy beam (proton, electron or photons) on these nuclei frees the neutrons by splitting the nuclei or tearing the excess neutrons in a directional cone.
En variante, on peut également utiliser un procédé de production et/ou de capture d’électron pour produire des neutrons, tel que décrit dans les demandes de brevets EP 2 360 997 et EP 2 505 043. As a variant, it is also possible to use an electron production and / or capture process to produce neutrons, as described in patent applications EP 2 360 997 and EP 2 505 043.
Source de neutrons Neutron source
On peut utiliser une source de neutrons, telle que décrite dans les demandes de brevets EP 2 360997 et EP 2 505 043. L’intérêt de cette source est l’absence d’émission parasite telle que l’émission des rayonnements gammas associés aux autres technologies de production de neutrons. It is possible to use a source of neutrons, as described in patent applications EP 2 360997 and EP 2 505 043. The advantage of this source is the absence of parasitic emission such as the emission of gamma rays associated with the others. neutron production technologies.
La source de neutrons peut être configurée pour permettre de produire des neutrons libres. The neutron source can be configured to allow the production of free neutrons.
Les neutrons peuvent être émis sous une forme stationnaire, sans direction, par exemple au moyen d’un confinement par laser, ou sous la forme d’un faisceau de neutrons libres. La source de neutrons peut être configurée pour permettre l’émission d’un tel faisceau de neutrons libres. Avantageusement, des neutrons en faisceau permettent de minimiser le bruit qu’ils sont susceptibles de générer. En effet, il peut en cas de faisceau y avoir moins d’interaction entre les neutrons et la matière du dispositif. Neutrons can be emitted in a stationary form, without direction, for example by means of laser confinement, or as a beam of free neutrons. The neutron source can be configured to allow the emission of such a beam of free neutrons. Advantageously, beam neutrons make it possible to minimize the noise they are likely to generate. In fact, in the case of a beam, there may be less interaction between the neutrons and the material of the device.
La source de neutrons ci-dessus peut comporter un diaphragme de sortie. Par exemple dans le cas où la source de neutrons est reliée à une enceinte sous vide, le diaphragme de sortie peut être un disque réalisé en matériaux interagissant peu avec les neutrons de manière à laisser passer le faisceau de neutrons. Le diaphragme de sortie peut par exemple être constitué, d'un ou plusieurs matériau(x) faiblement absorbeurs de neutrons. Le diaphragme de sortie peut comporter, par exemple du carbone, du magnésium, du plomb, de la silice, du zirconium ou de l’aluminium. Le diaphragme de sortie peut être de forme quelconque, par exemple circulaire, ovale, elliptique, polygonale. The above neutron source may have an output diaphragm. For example, in the case where the neutron source is connected to a vacuum chamber, the output diaphragm may be a disc made of materials which interact little with the neutrons so as to allow the neutron beam to pass. The output diaphragm may for example be made of one or more material (s) that are weak neutron absorbers. The outlet diaphragm can include, for example, carbon, magnesium, lead, silica, zirconium or aluminum. The outlet diaphragm can be of any shape, for example circular, oval, elliptical, polygonal.
Brève description des dessins Brief description of the drawings
[Lig 1] La figure 1 est une vue schématique et partielle, en coupe longitudinale, d’un dispositif de détection de neutrinos conforme à l’invention. [Lig 1] Figure 1 is a schematic and partial view, in longitudinal section, of a neutrino detection device according to the invention.
[Lig 2] La figure 2 est une vue schématique et partielle, en coupe transversale, d’un autre dispositif de détection de neutrinos conforme à l’invention. [Lig 2] Figure 2 is a schematic and partial view, in cross section, of another neutrino detection device according to the invention.
[Lig 3] La figure 3 illustre le procédé de détection de neutrinos conforme à l’invention. [Lig 3] Figure 3 illustrates the neutrino detection method according to the invention.
[Lig 4] La figure 4 est une vue de détail du dispositif de la figure 1.[Lig 4] Figure 4 is a detail view of the device of Figure 1.
Description détaillée detailed description
On a illustré à la figure 1 un dispositif de détection de neutrinos 10 comportant une source de neutrons libres, qui fournit dans l’exemple décrit un faisceau L de neutrons libres. Les neutrons sont dirigés vers une zone de collision Z, dans laquelle ils seront susceptibles d’entrer en collision avec des neutrinos arrivés dans la zone de collision Z. La zone de collision est ménagée dans une chambre à vide 1. Le faisceau de neutrons entre dans la chambre à vide 1 en 6, et en ressort en 8. Il y circule en ligne droite. Illustrated in Figure 1 is a neutrino detection device 10 comprising a source of free neutrons, which provides in the example described a beam L of free neutrons. The neutrons are directed towards a collision zone Z, in which they will be liable to collide with neutrinos which have arrived in the collision zone Z. The collision zone is formed in a vacuum chamber 1. The neutron beam enters in the vacuum chamber 1 in 6, and comes out in 8. It circulates there in a straight line.
Du côté de l’entrée 6 du dispositif 10 et de sa sortie 8, le dispositif 10 comporte deux brides d’entrée 7 et de sortie 9, de façon à limiter au mieux le bruit collecté dans le dispositif de détection 10, c’est-à-dire afin de limiter les réactions de capture neutronique susceptibles de se produire à ces deux brides d’entrée 7 et 9. Ainsi, on limite les interactions faisceau-matière aux deux brides d’entrée et de sortie. Par ailleurs, afin d’éviter toute interaction de rayonnement gamma avec les scintillateurs, des protections de matériel lourd 5 sont disposées entre les brides 7,9 et les scintillateurs 2. Ces protections 5 peuvent être réalisées en plomb ou tungstène. On the side of the input 6 of the device 10 and its output 8, the device 10 comprises two input 7 and output 9 flanges, so as to best limit the noise collected in the detection device 10, i.e. that is to say in order to limit the neutron capture reactions likely to occur at these two input flanges 7 and 9. Thus, the beam-material interactions are limited at the two input and output flanges. In addition, in order to avoid any interaction of gamma radiation with the scintillators, heavy equipment protections 5 are arranged between the flanges 7, 9 and the scintillators 2. These protections 5 can be made of lead or tungsten.
Le dispositif 10 comporte en outre un outil de détection 11 de particules élémentaires émise dans la zone de collision Z. Les particules élémentaires qui peuvent être détectées sont des électrons et/ou des protons. Ces particules élémentaires sont le résultat de la réaction d’un neutrino avec un neutron. Il peut s’agir notamment d’un proton et d’un électron tous deux issus d’une unique réaction entre un neutrino et un neutron. The device 10 further comprises a tool 11 for detecting elementary particles emitted in the collision zone Z. The elementary particles which can be detected are electrons and / or protons. These elementary particles are the result of the reaction of a neutrino with a neutron. It can be in particular a proton and an electron both resulting from a single reaction between a neutrino and a neutron.
L’outil de détection 11 est configuré pour détecter leur énergie et leur direction. Il comporte à cet effet une mosaïque 2 de scintillateurs émettant de la lumière lorsqu’un proton ou un électron y pénètre. Ces scintillateurs sont collés ou fixés sur un hublot 3 qui constitue une barrière au vide et permet à la lumière de quitter les scintillateurs 2 et d’atteindre un ensemble de photomultiplicateurs 4 où cette lumière est convertie en un groupe d’électrons constituant le signal électronique qui est collecté. The detection tool 11 is configured to detect their energy and direction. It comprises for this purpose a mosaic 2 of scintillators emitting light when a proton or an electron enters it. These scintillators are glued or fixed on a window 3 which constitutes a barrier to the vacuum and allows the light to leave the scintillators 2 and to reach a set of photomultipliers 4 where this light is converted into a group of electrons constituting the electronic signal. that is collected.
Entre la zone de collision Z et l’outil de détection 11, le dispositif comporte un organe limiteur 12 pour limiter la zone de collision Z, réalisé en métal. Dans l’exemple décrit, l’organe limiteur 12 comporter un tube ouvert par deux orifices 13 permettant aux particules élémentaires émises d’atteindre les scintillateurs 2. Between the Z collision zone and the detection tool 11, the device comprises a limiting member 12 to limit the Z collision zone, made of metal. In the example described, the limiting member 12 comprises a tube open by two orifices 13 allowing the elementary particles emitted to reach the scintillators 2.
Le dispositif 10 comporte en outre un calculateur 15,16 configuré pour déterminer à partir de la ou des particules élémentaires détectées, notamment de leur énergie et/ou de leur direction, une information sur au moins un neutrino arrivé dans la zone de collision et entré en collision avec un neutron libre présent dans la zone de collision. The device 10 further comprises a computer 15, 16 configured to determine from the elementary particle (s) detected, in particular their energy and / or their direction, information on at least one neutrino which has arrived in the collision zone and entered. colliding with a free neutron present in the collision zone.
Dans l’exemple qui vient d’être décrit, les scintillateurs et les photomultiplicateurs 4 sont disposés selon une matrice plane, et l’organe limiteur comporte deux orifices 13 opposés. Bien entendu, on peut arranger le dispositif 10 avec une autre configuration. In the example which has just been described, the scintillators and the photomultipliers 4 are arranged in a planar matrix, and the limiting member has two opposing orifices 13. Of course, the device 10 can be arranged with another configuration.
A titre d’exemple, on a illustré à la figure 2 un dispositif de détection 10 ayant une forme cylindrique, les scintillateurs et les photomultiplicateurs 4 étant disposés selon un cylindre axé sur le faisceau de neutrons. L’organe limiteur peut comporter un seul orifice de forme cylindrique également, ou en variante plusieurs orifices disposés sur un cylindre. By way of example, FIG. 2 shows a detection device 10 having a cylindrical shape, the scintillators and the photomultipliers 4 being arranged in a cylinder focused on the neutron beam. The limiting member may also have a single orifice of cylindrical shape, or alternatively several orifices arranged on a cylinder.
On va maintenant expliciter la mise en œuvre du procédé de détection selon l’invention, en référence à la figure 3. Dans une première étape, on fournit des neutrons libres dans une zone de collision, notamment au moyen d’une source de neutrons libres, puis on détecter au moins une particule élémentaire émise dans la zone de collision, notamment un électron et/ou un proton, en détectant notamment son énergie et/ou sa direction au moyen d’un scintillateur 2. La lumière émise traverse le hublot 3, puis est convertie et amplifiée par les photomultiplicateurs 4. Le signal électrique obtenu est converti en 15 d’un signal analogique en un signal numérique, et un premier traitement est effectué, pour déterminer la polarisation du signal, son intensité et sa datation, afin de détecter les éventuelles coïncidences. The implementation of the detection method according to the invention will now be explained with reference to FIG. 3. In a first step, free neutrons are supplied in a collision zone, in particular by means of a source of free neutrons, then at least one elementary particle emitted in the collision zone is detected, in particular an electron and / or a proton. , by detecting in particular its energy and / or its direction by means of a scintillator 2. The light emitted passes through the porthole 3, then is converted and amplified by the photomultipliers 4. The electrical signal obtained is converted into 15 of an analog signal into a digital signal, and a first processing is performed to determine the polarization of the signal, its intensity and its dating, in order to detect any coincidences.
Enfin, un ordinateur 16 permet d’enregistrer les informations de numéro de détecteur, de date d’impulsion et d’intensité d’impulsion, de les organiser en tableau, de traiter l’information et de détecter des coïncidences, afin d’identifier les particules et de calculer les trajectoires et les spectres d’énergie. Finally, a computer 16 makes it possible to record the information of detector number, pulse date and pulse intensity, organize them into a table, process the information and detect coincidences, in order to identify particles and calculate energy trajectories and spectra.
En effet, les caractéristiques des couples d’électron/proton émis sont contraints par trois caractéristiques initiales, à savoir l’énergie du neutrino incident, la direction du neutrino incident, et l’énergie du neutron. Selon chaque jeu de conditions initiales de ces trois caractéristiques, les énergies et les directions d’émission des couples de particules élémentaires émises représentent une « signature » différente : un bouquet d’émissions possibles et non unique pour les paires émises correspondant aux conditions initiales. La configuration obtenue par des émissions cumulées des couples de particules représente alors la signature correspondante aux conditions initiales. Indeed, the characteristics of the electron / proton pairs emitted are constrained by three initial characteristics, namely the energy of the incident neutrino, the direction of the incident neutrino, and the energy of the neutron. According to each set of initial conditions of these three characteristics, the energies and the directions of emission of the pairs of elementary particles emitted represent a different "signature": a bouquet of possible emissions and not unique for the emitted pairs corresponding to the initial conditions. The configuration obtained by the cumulative emissions of the pairs of particles then represents the signature corresponding to the initial conditions.
Grâce à la mesure fournie par le dispositif de détection présenté ci-dessus, on peut retrouver les conditions initiales, notamment les directions et les énergies des neutrinos incidents. Thanks to the measurement provided by the detection device presented above, the initial conditions can be found, in particular the directions and energies of the incident neutrinos.
La précision de mesure peut dépendre de certains paramètres du dispositif, comme illustré à la figure 4. A titre d’exemple, il peut dépendre du diamètre d’ouverture D de l’orifice. Plus le diamètre d’ouverture D est petit, meilleure est la précision angulaire de la détermination de la direction de la position de la source de neutrinos. Plus le diamètre d’ouverture D est grand, meilleur est le nombre par unité de temps de particules élémentaires détectées, ce qui améliore la qualité de la détermination. La précision peut également dépendre de la distance H entre l’organe limiteur et le détecteur. Plus la distance H est grande, meilleure est la précision angulaire de la détermination de la direction de la position de la source de neutrinos. Plus la distance H est petite, plus grands sont les écarts de temps de vol entre les protons et les électrons, et donc plus est difficile leur appariement. The measurement precision may depend on certain parameters of the device, as illustrated in FIG. 4. By way of example, it may depend on the opening diameter D of the orifice. The smaller the opening diameter D, the better the angular accuracy in determining the direction of the position of the neutrino source. The larger the opening diameter D, the better the number per unit of time of elementary particles detected, which improves the quality of the determination. The precision can also depend on the distance H between the limiting member and the detector. The greater the distance H, the better the angular accuracy in determining the direction of the position of the neutrino source. The smaller the distance H, the greater the time-of-flight differences between protons and electrons, and therefore the more difficult their pairing.

Claims

Revendications Claims
1. Procédé de détection de neutrinos, comportant les étapes suivantes : 1. Method for detecting neutrinos, comprising the following steps:
(a) fournir des neutrons libres dans une zone de collision (Z), notamment au moyen d’une source de neutrons libres, (a) provide free neutrons in a collision zone (Z), in particular by means of a source of free neutrons,
(b) détecter des particules élémentaires émises dans la zone de collision (Z), notamment un électron et un proton, en détectant leur énergie et leur direction, (b) detecting elementary particles emitted in the collision zone (Z), in particular an electron and a proton, by detecting their energy and their direction,
(c) déterminer à partir de l’énergie et de la direction des particules élémentaires détectées, une information sur au moins un neutrino arrivé dans la zone de collision et entré en collision avec un neutron libre présent dans la zone de collision (Z). (c) determine from the energy and direction of the elementary particles detected, information on at least one neutrino which has arrived in the collision zone and has collided with a free neutron present in the collision zone (Z).
2. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel on détermine à l’étape (c) l’énergie et/ ou la direction d’arrivée dudit neutrino arrivé dans la zone de collision et entré en collision avec un neutron libre présent dans la zone de collision. 2. Method according to the preceding claim, wherein in step (c) the energy and / or the direction of arrival of said neutrino arrived in the collision zone and collided with a free neutron present in the zone is determined. collision.
3. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel on détermine la direction de la position de la source de neutrinos par rapport à une source de référence connue. 3. Method according to one of the preceding claims, in which the direction of the position of the neutrino source relative to a known reference source is determined.
4. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel on détecte à l’étape (b) l’énergie et/ou la direction de la particule élémentaire émise dans la zone de collision, notamment un électron et/ou un proton. 4. Method according to one of the preceding claims, in which the energy and / or the direction of the elementary particle emitted in the collision zone, in particular an electron and / or a proton, is detected in step (b).
5. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on détecte à l’étape (b) une paire de particules élémentaires issues de la réaction d’un neutrino avec un neutron, notamment d’un proton et d’un électron issus d’une unique réaction entre un neutrino et un neutron. 5. Method according to any one of the preceding claims, in which a pair of elementary particles resulting from the reaction of a neutrino with a neutron, in particular a proton and an electron, is detected in step (b). resulting from a single reaction between a neutrino and a neutron.
6. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on détermine à l’étape (c) une information sur la distance de la source de neutrinos de laquelle est issue ledit neutrino arrivé dans la zone de collision et entré en collision avec un neutron libre présent dans la zone de collision. 6. Method according to any one of the preceding claims, in which is determined in step (c) information on the distance from the neutrino source from which said neutrino arrived in the collision zone and collided with it. a free neutron present in the collision zone.
7. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une majorité des neutrons libres ont un moment magnétique ayant une orientation prédéfinie, notamment plus de 60%, mieux plus de 70%, voire plus de 80% des neutrons libres ont un moment magnétique ayant une orientation prédéfinie. 7. Method according to any one of the preceding claims, in which a majority of the free neutrons have a magnetic moment having a predefined orientation, in particular more than 60%, better still more than 70%, or even more than 80% of the free neutrons have a. magnetic moment having a predefined orientation.
8. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les neutrons libres ont une énergie comprise entre 1 meV et 14 MeV, mieux entre 1 meV et 1 KeV, voire entre 1 meV et 25meV. 8. Method according to any one of the preceding claims, in which the free neutrons have an energy of between 1 meV and 14 MeV, better still between 1 meV and 1 KeV, or even between 1 meV and 25meV.
9. Dispositif de détection de neutrinos, notamment pour la mise en œuvre du procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant : 9. A device for detecting neutrinos, in particular for implementing the method according to any one of the preceding claims, comprising:
(i) une source de neutrons libres, configurée pour fournir des neutrons libres dans une zone de collision, (i) a source of free neutrons, configured to provide free neutrons in a collision zone,
(ii) un outil de détection (11) de particules élémentaires émises dans la zone de collision, notamment un électron et un proton, configuré pour détecter leur énergie et leur direction,(ii) a tool (11) for detecting elementary particles emitted in the collision zone, in particular an electron and a proton, configured to detect their energy and their direction,
(iii) un calculateur (15,16) configuré pour déterminer à partir de l’énergie et de la direction des particules élémentaires détectées, une information sur au moins un neutrino arrivé dans la zone de collision et entré en collision avec un neutron libre présent dans la zone de collision. (iii) a computer (15,16) configured to determine from the energy and direction of the elementary particles detected, information on at least one neutrino which has arrived in the collision zone and has collided with a free neutron present in the collision zone.
10. Dispositif selon la revendication précédente, le calculateur étant configuré pour déterminer l’énergie et/ ou la direction d’arrivée dudit neutrino arrivé dans la zone de collision et entré en collision avec un neutron libre présent dans la zone de collision, notamment avec une précision donnée. 10. Device according to the preceding claim, the computer being configured to determine the energy and / or the direction of arrival of said neutrino arrived in the collision zone and collided with a free neutron present in the collision zone, in particular with given precision.
11. Dispositif selon l’une des revendications 9 ou 10, l’outil de détection (11) étant configuré pour détecter une paire de particules élémentaires issues de la réaction d’un neutrino avec un neutron, notamment d’un proton et d’un électron issus d’une unique réaction entre un neutrino et un neutron. 11. Device according to one of claims 9 or 10, the detection tool (11) being configured to detect a pair of elementary particles resulting from the reaction of a neutrino with a neutron, in particular of a proton and of an electron resulting from a single reaction between a neutrino and a neutron.
12. Dispositif selon l’une des revendications 9 à 11, la zone de collision étant définie par un organe limiteur (12). 12. Device according to one of claims 9 to 11, the collision zone being defined by a limiting member (12).
13. Dispositif selon la revendication précédente, l’organe limiteur (12) comportant un ou plusieurs orifices (13) permettant à la ou aux particules élémentaires émises dans la zone de collision d’atteindre l’outil de détection. 13. Device according to the preceding claim, the limiting member (12) comprising one or more orifices (13) allowing the elementary particle or particles emitted in the collision zone to reach the detection tool.
14. Dispositif selon l’une des revendications 93 14, le ou les orifices (13) ayant un diamètre d’ouverture (D) compris entre 0,1 mm et 100 mm, mieux entre 1 mm et 10 mm, voire entre 3 et 5 mm. 14. Device according to one of claims 93 14, the orifice (s) (13) having an opening diameter (D) of between 0.1 mm and 100 mm, better still between 1 mm and 10 mm, or even between 3 and 5 mm.
15. Dispositif selon l’une des revendications 9 à 14, une distance (H) entre l’organe limiteur (12) et le détecteur (2) étant comprise entre 10 mm et 10 000 mm, mieux entre 100 mm et 1000 mm, voire entre 50 mm et 100 mm. 15. Device according to one of claims 9 to 14, a distance (H) between the limiting member (12) and the detector (2) being between 10 mm and 10,000 mm, better still between 100 mm and 1000 mm, or even between 50 mm and 100 mm.
16. Dispositif selon l’une des revendications 9 à 15, comportant une ou plusieurs électrodes de polarisation. 16. Device according to one of claims 9 to 15, comprising one or more polarization electrodes.
17. Détecteur de réacteur nucléaire par détection de neutrinos issus du réacteur nucléaire, comportant un dispositif de détection de neutrinos selon l’une des revendications 9 à 16. 17. A nuclear reactor detector by detecting neutrinos from the nuclear reactor, comprising a device for detecting neutrinos according to one of claims 9 to 16.
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