La détection des neutrons rapides ainsi que la mesure de leur énergie est complexe, du fait que le neutron est une particule électriquement neutre, donc difficilement détectable directement : sa détection doit se faire de façon indirecte.

Mimac-FastN est une enceinte étanche remplie d’un gaz neutre, non inflammable, non réglementé et à la pression atmosphérique environ (donc pas d’3He, de haute pression, ou d’hydrogène, qui limitent les utilisations dans certains milieux industriels).

Les neutrons peuvent interagir avec les noyaux du gaz du détecteur. Cette interaction résulte en un recul nucléaire : il y a transfert d’énergie partiel, du neutron incident au noyau.

Le détecteur comporte une caméra à échantillonnage très rapide (40 MHz). Grâce à cette caméra, le détecteur fournit des images en 3D des traces des reculs nucléaires dans le gaz.

De manière synchrone à cet enregistrement d’image, est mesurée l’énergie déposée en ionisation par le recul nucléaire dans le gaz.

A partir de ces deux informations, les traces et l’énergie d’ionisation, on peut calculer l’énergie du neutron incident.

Ci-dessous un schéma du principe de détection :

FastN

Les développements de Mimac-FastN résultent de 15  ans de savoir-faire autour des détecteurs gazeux. On peut citer comme spécificités :

1/ L’électronique rapide et bas bruit, qui donne accès à une détection 3D avec une bonne résolution.

2/ Le logiciel d’acquisition, qui permet avec l’électronique de gérer les déclenchements sur les événements physiques.

3/ La capacité à reconstruire l’énergie cinétique des reculs nucléaires à partir de la mesure de leur énergie d’ionisationCette reconstruction est spécifique à chaque milieu gazeux, et varie en fonction de l’énergie d’ionisation. Plus l’énergie des neutrons est élevée, plus ce paramètre est important pour reconstruire l’énergie cinétique des neutrons incidents à partir de l’énergie d’ionisation des reculs nucléaires.

4/ Le logiciel d’analyse des données, qui permet de sélectionner les événements à considérer pour la reconstruction du spectre neutronique ou pour la localisation d’une source de neutrons.

Mimac-FastN se différencie des technologies existantes par sa performance qui ne se limite pas à du comptage de neutrons mais qui permet de mesurer également leur énergie, par sa mobilité, par l’approche 3D qui permet de différencier exhaustivement toutes les contributions physiques, et par sa capacité directionnelle.

La preuve de concept a été réalisée sur champs neutroniques mono-énergétiques, avec un petit prototype mobile, en réalisant des acquisitions pendant 1 heure.

Des cas d’usage sont actuellement explorés, pour des applications aussi variées que la détection de matière fissile dans des fûts de déchets, la caractérisation des neutrons atmosphériques, ou des mesures de dose neutronique dans des milieux industriels utilisant des sources de neutrons.

Référence : Article publié dans la revue NIM A : https://doi.org/10.1016/j.nima.2020.163799

Nadine Sauzet : Responsable scientifique & technique, simulations, analyses de données

Olivier Guillaudin : Développements détecteurs, micromegas & cages de champs de dérive

Marc Marton : Conception CAO 3D, suivi de réalisation & montage

 

MultiVIEW software GUI

  • Co-encadrement des développements logiciels initiaux par plusieurs stagiaires.
  • Reprise du code (LabVIEW) et du contrôle des versions (GitLab) et de la configuration ; réadaptation aux besoins expérimentaux.
  • Amélioration du contrôle des paramètres, de la prise de données et des outils d'analyse.

Contact : Olivier Zimmermann


  • Conception de la cible 9Be de production de neutrons

         Une cible prototype de Béryllium, de taille réduite par rapport à un dispositif de pleine puissance, est actuellement en cours de développement. Cette cible est constituée par une matrice de graphite tournante de 30 cm de diamètre servant à la fois de matériau de structure et de massif dissipatif de la chaleur engendrée par le dépôt d’énergie du faisceau de deutons ou de protons. A la surface de la matrice de graphite, une fine couche de Béryllium de 9 μm d’épaisseur est déposée au niveau de la zone annulaire d’impact du faisceau. Ce dépôt de Béryllium est réalisé par pulvérisation par faisceau d’ion (IBS) à l’intérieur même de la chambre à vide de la cible.

         Ce concept original a le double avantage de pouvoir non seulement produire la couche initiale de Béryllium mais également de régénérer celle-ci, si besoin, à mesure de l’utilisation de la cible. L’énergie transmise au massif de graphite par le faisceau est évacuée par rayonnement thermique vers les parois de l’enceinte, elles-mêmes refroidies par circulation d’eau. La température atteinte par le Béryllium ne devant pas dépasser 850°, afin de rester dans une gamme de pression partielle de vapeur inférieure à 3.10-6 mbar, des simulations numériques ont été réalisées pour dimensionner le système de refroidissement et définir la vitesse optimum de rotation. Pour valider les résultats des simulations numériques, et aussi pour étudier la stabilité de la couche mince de béryllium, des tests thermiques sous faisceau d’électrons sont en cours de réalisation avant de procéder aux essais en conditions réelles sous faisceaux de deutons ou de protons.

 Simulation thermique de la cible Be sur graphite pour une puissance déposée de 3 kW sur 1 cm²      Roue graphite de la cible tournante de 30 cm de diamètre

 

  • Conception, réalisation et exploitation du banc de test thermique 3 kW (Electrons-18keV-167 mA)

         Afin de pouvoir tester et caractériser les cibles 9Be et 7Li en cours de dévéloppement, un banc de test thermique capable de produire un faisceau d’électron de 3 kW sur 1 cm² de surface a été développé. Les électrons, produits au sein d’une source ECR de type COMIC, sont extraits du plasma d’Argon et accélérés à une énergie de 18 keV pour un courant total de 167 mA. Une coupelle de Faraday amovible et refroidie permet de mesurer le courant extrait de la source. Une optique faisceau constituée d’un solénoïde et de deux déflecteurs (steerer) permet de focaliser et de mettre en forme le faisceau d’électrons. Deux caméras, placées perpendiculèrement l'une de l'autre, visualisent en continue la lumière de fluorescence du gaz résiduel produite par le passage du faisceau d'électrons. Un programme d'analyse de l'intensité d'image pixel par pixel permet d'extraire la position et le profil du faisceau. Les cibles de Béryllium et de Lithium peuvent être couplées en bout de cette ligne de faisceau d’électrons pour tester leur comportement thermique sous une densité de puissance représentative de 3 kW/cm2.

Ligne de test thermique (Electrons - 18 keV - 167 mA)

  • Caractérisation de champ neutronique

  L’AB-nCT requiert un champ neutronique épithermique pour traiter les tumeurs cancéreuses des patients, donc la conception d’un modérateur pour réduire l’énergie des neutrons rapides émis par la cible, ainsi qu’un spectromètre neutronique pour caractériser le champ neutronique en sortie de modérateur.

Des simulations réalisées avec les codes Monte Carlo MCNP et GEANT4 permettent de déterminer les caractéristiques optimales du champ neutronique en sortie de modérateur pour que le traitement du patient soit le plus efficace possible avec une dose secondaire minimisée, et permettent d’explorer et de définir des structures de modérateur minimisant la proportion de neutrons rapides dans le champ auquel le patient sera soumis.

Les mesures spectrométriques sont réalisées avec le spectromètre développé au laboratoire, Mimac-FastN, rempli d’un gaz adapté à la détection de neutrons de basse énergie.

Des mesures dosimétriques peuvent être également réalisées avec Mimac-FastN, en y intégrant un fantôme actif (un dépôt de bore par exemple

 Fantome actif

 Exemple de fantôme actif en B4C, et de détection des interactions avec le fantôme actif dans Mimac-FastN

 

Jean-François Muraz : Responsable Technique, conception CAO 3D & simulation optique faisceau (COMSOL)
Mohammed Chala : Montage & cablâge
Olivier Guillaudin : Caractérisation du champ neutronique
Murielle Heusch : Etudes sécurité Béryllium
Julien Marpaud : Contrôle-Commande (LabVIEW)
Nadine Sauzet : Caractérisation du champ neutronique, définition & optimisation du modérateur (MCNP)


1. Introduction:

ITk est le futur trajectographe, tout silicium (pixels), du détecteur ATLAS pour le HL-LHC. L’IN2P3 est engagé dans la partie appelée « Outer Barrel » (OB), à savoir les 3ème, 4ème et 5ème couches centrales (L2, L3, L4) de pixels de ce détecteur.

Ob

 Schéma en coupe du ½ détecteur ITk

 Le LPSC participe à différents lots de travaux :

  • Le « loading » des modules de détections sur les supports mécaniques dits locaux
  • La conception et la fabrication et éventuellement à l’intégration des supports intermédiaires séparant les couches de pixels
  • La conception et la mise en œuvre des connexions électriques de type 1 sur l’OB

Le SDI est fortement impliqué dans la partie « loading » avec 5 membres du service dont le responsable technique de cette activité au LPSC.

2. Loading :

Le « loading » des modules se fait en deux étapes :

Les modules de détection qui sont un assemblage du capteur silicium et de l’électronique de lecture associée, sont d’abord collés sur des supports en graphite à haute conduction thermique (TPG, Thermal Pyrolytic Graphite) appelées cellules.

Cellule

Détail de l’assemblage des Modules

Ces cellules sont montées sur les supports locaux, qui sont soit des longerons, soit des demi-anneaux. Cet assemblage plus l’installation des liaisons électriques d’alimentation et de lecture des modules représente l’étape d’intégration des supports locaux. Cette phase inclut une ultime activité avant livraison, le contrôle géométrique précis de la position en 3D des modules intégrés, réalisé au moyen d’une machine de mesure tridimensionnelle de haute précision (MMT).

LongHR

Un demi-anneau incliné et un longeron, équipés de Modules

L’objectif est d’assembler environ 750 cellules et d’intégrer typiquement 10 longerons et 10 demi-anneaux au LPSC, le tout en deux ans entre décembre 2022 et décembre 2024.

Au préalable, une phase de développement est prévue jusqu’en 2021, dédiée à la mise au point des outillages de collage et d’intégration, ainsi que des bancs de tests électriques nécessaires à la vérification du fonctionnement des modules, avant et après les phases de « loading ».

WFlow

Etapes des activités de « loading » et intégration

Personnes impliquées :

Patrick Stassi : Responsable technique

Murielle Heusch : « loading », développements et production

Marc Marton : « loading », développements et production

Adeline Richard : « loading », développements et production

Olivier Zimmermann : Bancs de test électriques et bases de données


  • Coordination du projet au LPSC
  • Participation à la maintenance des photo-détecteurs du détecteur de surface
  • Participation à l’élaboration du programme de radio détections des rayons cosmiques sur le site d’AUGER en Argentine
  • Etude et réalisation mécanique d’un prototype du nouveau dispositif de photo détection pour les cuves à eau du site nord
Auger logo

Patrick Stassi : Photo détection - Radio détection - Responsable technique
Marc Marton : Conception Détecteur/CAO
Mohammed Chala : Montage Détecteur

 

190117 14h02 oz download pdfEASIER : Radio détection des rayons cosmiques de très haute énergie sur l'Observatoire Pierre Auger
190117 14h17 oz hyperlinkPierre Auger Observatory


  • Conception d'un cryostat partiellement perméable au micro-ondes
  • Test de compatibilité électromagnétique des détecteurs photométriques infrarouges

Patrick Stassi : Coordinateur technique
Julien Marpaud : Contrôle et pilotage en température du cryostat
Marc Marton : Conception/CAO