27emes Journées des LARD– Vendredi 22 Octobre 2010

Simulation et analyse de données d’un spectromètre neutron de haute résolution,

utilisant des capteurs CMOS, dédié à des mesures de référence auprès des installations du LMDN : TPR-CMOS

Julien Taforeau, Lena Lebreton

IRSN/DRPH/SDE/LMDN

Introduction

Principe de fonctionnement du détecteur

Simulation du détecteur

Analyse d’une campagne de mesures

Conclusions et perspectives

222/10/10

Production de champs neutroniques mono-énergétiques de 2 keV à 20 MeV

Etude de détecteurs neutrons

3

AMANDE : Accélérateur dédié à la Métrologie Appliquée aux Neutrons et à la

Dosimétrie Externe

22/10/10

Le télescope devra :

1. Mesurer l’ énergie et la fluence dans la gamme [5MeV, 20 MeV]

3. Présenter une technologie innovante

2. Mesurer les grandeurs d’intérêt pendant un temps d’irradiation réduit

4. Etre capable de fonctionner à haut flux

Cahier des charges

422/10/10

Théorie sur la diffusion élastique

• Conservation de l’énergie et de

l’impulsion

rnr EA

AE 2

2cos

1

4

• Choix du noyau de recul : Hydrogène

- Section efficace de collision maximale ( 1 b à 14 MeV)

- Pas de résonnance dans la gamme [ 5 MeV,20 MeV]

- Fraction d’énergie transmise maximale ( dans le cas de l’hydrogène) n

r

E

E 1

rpn EE 2cos/

522/10/10

Reconstruction de l’angle d’émission du proton

Reconstruction de l’énergie du proton

1. Calcul de l’énergie neutron

2. Détermination de la fluence neutronique

Principe de fonctionnement du TPR

6

ConvCMOSdp EEEE

cosneTH eN

Simulation du télescope

7

1er prototype du TPR-CMOS (juin 2009)

Développé à l’IPHC de Strasbourg (Ramses) dans le cadre d’une thèse (nov 2009)

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Géométrie du détecteur visualisée { l’aide du logiciel Moritz

Cartes PCB

Feuille aluminium

Convertisseur

Capteur CMOS

Diode Si

Modélisation du TPR

822/10/10

Composant Simulation complète Simulation simplifiée

Nb neutrons : 6x106 Energie : 14 MeV Taux conversion n/p: 5x10-3

Sortie feuille aluminium 386 (3.9 %) -

Capteur CMOS 1 2212 (22.5 %) 2112 (21 %)

PCB1 93510 (950 %) -

Capteur CMOS 2 1944 (19.8 %) 1906 (19.4 %)

PCB2 91542 (932 %) -

Capteur CMOS 3 1926 (19.6 %) 1374 (14 %)

Les PCB génèrent beaucoup de protons C10 H11 O2

Feuille aluminium crée quelques protons qui n’atteignet pas la diode

Taux de pollution de 5% dans capteur 1, 2% dans capteur 2 et 29 % dans capteur 3

• Influence négligeable

• Influence moyenne

• Influence importante

Etudes des événements parasites

922/10/10

Deux zones distinctes :

Angle d’émission supérieur { 90 ° avec Ep < 8 MeV, neutrons retro-diffusésAngle d’émission inférieur { 90 ° avec Ep > 8 MeV, protons de reculUne zone subsiste correspondant aux protons de recul

La coupure en temps lors de la simulation a permis d’éliminer les neutrons rétro-diffusés

Un seuil en énergie permettra de discriminer les deux zones5109.2 Efficacité

Etude de la distribution angulaire des protons

10

En=14 MeV

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Analyse d’une campagne de mesure

1122/10/10

Référence en énergie et en fluence Long compteur : référence primaire pour la fluence

BC501A : référence secondaire en énergie

Prérequis à la campagne de mesures

Etalonnage de la diode silicium Etalonnage de la diode à posterioriDérive en température à l’intérieur du télescope

Seuil de détection des CMOS

Long compteur BC501A

1222/10/10

Sélection des évènements en coïncidence

Reconstruction de l’énergie des neutrons valide

• Zone de bruit, de 8 à 12 MeV

• Pic neutrons au-delà de 12 MeV

Approximation de la reconstruction

• Etalonnage approximatif

• Incertitude sur le lieu de création du protonMeVres

Ecart

MeVE

MeVE

MeVE

ref

th

n

n

n

29.1

%1.3

27.14

14

72.14exp

1322/10/10

Distribution angulaire des protons de recul

Bon accord pour les angle faibles (<15 °)

Ecart plus important entre 15° et 35°

Distribution angulaire expérimentale (à droite) et simulée ( à gauche)

Distribution angulaire conforme aux simulation

1422/10/10

Taux de détection de neutrons dans la diode

Evolution linéaire de l’efficacité de détection

Faible efficacité expérimentale due :

Temps mort de l’ électronique mal quantifié

Mauvaise sélection des évènements en coïncidence1522/10/10

Simulation du détecteur

Identification des pollutions du signal

Solutions envisagées pour discriminer les événements

• Analyse de données expérimentales

Résultats très encourageant pour la reconstruction de l’énergie neutron

Faible efficacité expérimentale

Perspectives

A court terme

Analyser les causes de la faible efficacité de détection

Nouvelle campagne de mesure en octobre 2010

A moyen terme

Qualifier le TPR-CMOS en tant que système étalon primaire auprès de l’installation AMANDE

Perspectives et conclusion

22/10/10 16

Merci de votre attention

1722/10/10

222d

d

yx

ConvCMOSdp EEEE

Angle d’émission du proton

Reconstruction de l’énergie proton Etalonnage de la diode avec une tri-source α

X

Y

∆ x

∆ y

Impact dans capteur

2Impact dans capteur

1

16/06/10

4.2 Estimation de l’angle et de l’énergie du proton

La métrologie

Pour le LMDN : mesure de l’énergie et de la fluence des champs neutroniques.

Justifier les sources d’incertitudes liées { une mesure

Hiérarchisation des instruments de référence :◦ Etalon primaire : Mesure d’une grandeur par le biais d’une procédure

sans relation avec la grandeur à mesurer

◦ Etalon secondaire : Mesure de la grandeur en ayant été étalonné auprès d’un étalon primaire

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Les détecteurs à noyaux de recul du

LMDN Les compteurs proportionnels SP2

◦ Pour les faibles énergies [0, 2.5 MeV]

◦ Compteurs gazeux

Le BC501A ◦ Pour les hautes énergies (>2.5 MeV)

◦ Liquide scintillant

Les inconvénients◦ Utilisation de codes de déconvolution

◦ Simulation de la fonction de réponse

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Intérêt de développer un télescope à protons de recul

Détecteurs existants (SP2 et BC501A) étalons secondaires

Développer un instrument étalon primaire en énergie et en fluence auprès d’AMANDE

Enrichir les inter-comparaisons avec d’autres laboratoires

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Etudes des événements en coïncidences

Composant Total dans le

composant

Dont protons

en

coïncidences

Capteur CMOS

1

1108 1108 100 %

Capteur CMOS

2

981 429 43.7 %

Capteur CMOS

3

995 197 19.8 %

Diode 2129 219 10.3 % 100 % des protons passant par le capteur 1 sont issu du convertisseur

6.7 % des protons passant par le capteur 2 sont issu du capteur 1

3.1 % des protons passant par le capteur 3 sont issu du capteur 1

3.45 % des protons passant par la diode sont issu du capteur 1

%108.3 3Efficacité

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Paramètres de la simulation

Paramètre Valeur

Energie neutron [MeV] 14

Nombre de neutrons simulés 10 8

Dont neutrons traversant le TPR 5.2x 10 7

Dont neutrons traversant le

convertisseur

5.7 x 10 6

Densité de neutrons [n.cm-2] 6.5 x 10 5

Fluence [n.cm-2.s-1] 500

Temps d’irradiation [min] 22

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1. Etalonnage de la diode avec une tri-source α

2. Pertes d’énergie dans les capteurs CMOS et la diode

Estimation de l’énergie du proton

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ConvCMOSdp EEEE

Principe de la technologie CMOS

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Répartition uniforme de l’ énergie des protons modulée par :

Angle de détection du détecteur de 0 à 40°

Présence d’une queue de distribution due aux neutrons rétro-diffusésArrêt des protons de basses énergies

Faible nombre de protons émis en fin de convertisseur

Sélection des événement de 8 à 14 MeV :

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Etude du spectre énergétique des protons

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Plan d’expérience

L’expérience réalisé va permettre de :

1. Reconstruire l’énergie neutron

3. Etudier la pertinence de la feuille d’aluminium

2. Estimer l’efficacité du détecteur

4. Etudier l’effet de l’épaisseur du convertisseur sur la reconstruction de l’énergie

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Contraintes supplémentaires pour détecter les protons de reculMinimisation du χ2 trajectoire linéaireEnergie dans la diode compatibleCoïncidence avec les 3 capteurs CMOS et la diodeAngle d’émission compatible

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Sélection des protons de reculs