Détection temporelle et spatiale de particules chargées par réactions induite par neutron – XyMegas

Plusieurs échantillons de dépôts de bore de 90 mm de diamètre, enrichis à 92,78% en ¹⁰B et présentant une densité surfacique de l'ordre de 25 µg/cm², ont été réalisés au JRC-Geel. Les supports ont été fabriqués par le CEA Saclay. Ils sont constitués d'anneaux en aluminium de 1 mm d'épaisseur (diamètre intérieur de 100 mm, diamètre extérieur de 120 mm) sur lesquels un film de Mylar aluminisé de 9 µm a été collé à l'aide d'une résine époxy conductrice. Les échantillons ont été caractérisés sur la ligne de faisceau CT2 de l'Institut Laue-Langevin (ILL) à Grenoble, au moyen d'un dispositif de balayage développé au JRC-Geel et d'un détecteur de rayons gamma au LaBr₃. Cette expérience a permis de mesurer la teneur relative en ¹⁰B ainsi que l'homogénéité des échantillons par rapport à un échantillon de référence.

Un nouveau détecteur Micromegas a été conçu avec l'aide du groupe de détecteurs gazeux du CERN, où sa fabrication a été assurée. Ce détecteur de type microbulk comportait deux jeux de 125 pistes d'une largeur de 0.95 mm, espacées de 0.05 mm.

Les pistes dans les deux directions orthogonales X et Y sont les deux faces d'une feuille de kapton de 50 µm couvert de chaque côté de 5 µm de cuivre, un côté sert de mesh, l'autre comme anode. Les pistes sont produits dans le cuivre et du côté mesh ont des micro-trous de

diamètre de 60 µm avec un pitch de 80 µm. Le kapton entre les deux faces de cuivre est chimiquement gravé pour créer de l'espace entre les faces cuivrées. L'amplification des éléctrons a lieu dans cette espace.

Le détecteur intégrait également quatre connecteurs permettant d'acheminer des signaux externes vers la chaîne d'acquisition, à travers le détecteur lui-même, en vue d'un traitement différé hors ligne. Le détecteur a été intégré à une chambre de dérive dans laquelle un échantillon de ¹⁰B, servant d'électrode de dérive, a été installé.

Nous avons ensuite couplé le détecteur à un système d'acquisition basé sur le chip VMM3 et sur le système SRS (Scalable Readout System) du CERN. Le SRS dispose d'une liaison Ethernet dédiée vers un ordinateur d'acquisition Linux standard, qui assure le slow control du système. Le flux de données issu de l'acquisition est transmis via ethernet, capturé à l'aide d'outils réseau standard et enregistré sous forme de fichiers au format pcapng, lesquels ont été décodés et analysés ultérieurement. Le système a été testé en laboratoire à Saclay à l'aide d'une source de rayons X au ⁵⁵Fe, avant d'être soumis à des tests sous flux de neutrons lors d'une expérience finale menée sur l'installation de temps de vol neutronique GELINA du JRC-Geel.

Nous avons acquis des données neutroniques avec notre nouveau détecteur doté d'un espace de dérive de 10 mm. Ces données ont été recueillies avec un nombre limité de configurations de faisceau. Une première série d'acquisitions a été réalisée sans filtres anti-recouvrement sur le faisceau de neutrons. Dans ce cas, l'intensité neutronique est maximale, mais l'information de temps de vol est perturbée par des neutrons lents issus de cycles précédents qui n'ont pas été arrêtés. C'est la configuration optimale pour l'imagerie lorsque la mesure du temps de vol n'est pas requise. Pour l'espace de dérive de 10 mm, nous avons appliqué une haute tension de -300 V à l'électrode de dérive et de +350 V à l'anode. La grille était quant à elle reliée à la masse. Ensuite, pour l'étalonnage en énergie par temps de vol, nous avons inséré des filtres neutroniques en Pb (10 mm), Co (0,5 mm) et Cd (5 mm). Le filtre en Cd, généralement utilisé pour éviter le recouvrement des impulsions, a notamment permis d'observer de nombreuses résonances à basse énergie, utiles pour l'étalonnage en temps de vol.

À partir des données acquises, nous avons pu reconstruire le temps de vol des neutrons grâce au signal T0 injecté dans le châssis SRS. Les spectres neutroniques obtenus révèlent clairement la structure des creux de transmission induits par le filtre en Cd utilisé pour l'anti-recouvrement.

Nous avons réussi à obtenir une image très nette du faisceau de neutrons ainsi que ses projections selon les axes X et Y. Ces informations ont été recueillies pour l'ensemble des neutrons, mais ont pu également être segmentées en fonction du temps de vol, au prix toutefois d'une dégradation de la qualité de l'image due à une statistique réduite dans les intervalles de temps de vol.

Nous avons également reconstruit les traces des particules 7Li et alpha issues de la réaction 10B(n,α) en exploitant la chronologie de la séquence de déclenchement des pistes en coïncidence au sein des amas d'événements. Toutefois, pour extraire des informations exploitables, il serait préférable de porter l'espace de dérive de 10 mm à 50 mm.

En analysant le taux d'amas acquis, nous avons pu suivre l'évolution temporelle de l'intensité du faisceau de neutrons. La comparaison de ces données avec les informations fournies par l'accélérateur linéaire d'électrons (linac) alimentant la source de neutrons a révélé une excellente concordance, démontrant ainsi que le détecteur peut également servir de moniteur de faisceau neutronique en amont pour d'autres expériences. Le détecteur et le système d'acquisition ont fonctionné de manière trè satisfaisante dans des conditions réelles de faisceau de neutrons.

Un détecteur Micromegas doté de bandes orthogonales (X et Y) et offrant une grande transparence aux neutrons a été développé, couplé à un système d'acquisition dédié basé sur la puce VMM3. La partie du détecteur placée dans le faisceau ne contient aucun circuit imprimé (PCB), ce qui garantit une transparence permettant d'effectuer des mesures en aval, notamment des mesures de capture neutronique. L'espace de dérive de 10 mm utilisé s'est avéré parfaitement adapté à la mesure du profil du faisceau. Des mesures plus longues seront nécessaires pour affiner la précision sur le facteur d'interception du faisceau en fonction de l'énergie, un paramètre crucial pour les mesures de capture neutronique. Pour confirmer les performances de reconstruction de trajectoires, une distance de dérive plus importante (50 mm) serait nécessaire. Cela permettrait aux traces d'occuper un plus grand nombre de pistes et, par conséquent, d'améliorer la reconstruction des trajectoires.

Le détecteur a démontré sa fiabilité de fonctionnement et peut être transporté vers d'autres installations étudiant les réactions induites par des neutrons telles que NFS-Caen et n_TOF au CERN, en plus du JRC-Geel. Les caractéristiques techniques des puces VMM3 permettent de gérer les taux de comptage élevés attendus sur ces sites. Une application immédiate dans d'autres installations consisterait à mesurer le profil du faisceau de neutrons en fonction de l'énergie cinétique des neutrons, en soutien à d'autres expériences, notamment celles portant sur la capture neutronique.

Par ailleurs, les développements futurs envisagent l'utilisation de convertisseurs neutrons-particules chargées autres que le bore, afin d'étudier des réactions impliquant des particules chargées légères (comme (n,alpha) et (n,p)) ou des réactions de fission. Dans ce cas, le détecteur ne sert pas d'outil de diagnostic de faisceau pour d'autres expériences en aval, mais constitue une expérience de physique à part entière, destinée à mesurer les sections efficaces de ces réactions.

Les détecteurs Micromegas sont utilisés dans divers projets de physique nucléaire et comme détecteurs de neutrons. Nous avons l’intention de développer un détecteur de neutrons Micromegas à pistes orthogonales avec une excellente résolution en position et en temps, pour une utilisation dans les principales installations de mesure du temps de vol des neutrons. Le détecteur est conçu pour des mesures du flux neutronique, des sections efficace de réaction, ainsi que pour l’imagerie du faisceau neutronique. Un détecteur avec une anode et mesh segmentés, couplé au chip VMM3 développé pour des Micromegas, conduira à un détecteur innovant, qui servira également de chambre de projection temporelle (TPC) pour étudier les distributions angulaires de particules de réaction d'intérêt pour les réactions et données nucléaires. Le mode TPC sera testé dans le faisceau de neutrons de GELINA avec des particules chargées légères et des fragments de fission.