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

 

Pour le compte de la Division Technique Générale (DTG) d'EDF, le SDI développe un dispositif capable de déterminer l'équivalence en eau du manteau neigeux en utilisant les neutrons du rayonnement cosmique. Ces dispositifs permettent d'évaluer et de prévoir les apports hydrauliques saisonniers dans le but d'optimiser la production hydroélectrique.

Mais quel est le rapport entre les neutrons d’origine cosmique, et une couche de neige ?

Les neutrons parviennent à la surface de la Terre en quantité variant en fonction de paramètres tels que l’altitude, la pression, etc. Lorsqu’ils traversent une couche de neige, ces neutrons réagissent avec l’eau qu’elle contient, sont ralentis et même captés pour certains. De ce fait, compter les neutrons qui parviennent jusqu'à un capteur enterré renseigne sur la quantité d’eau présente juste au-dessus de celui-ci.

Le nombre de neutrons diminue donc en fonction de la quantité d’eau traversée, ce qui est précisément mesuré lors de l’étalonnage préalable du capteur en utilisant une « piscine hors sol» pour simuler la présence de neige.

Cette mesure présente en outre l’avantage d’être totalement indépendante de la densité de la neige : seule la quantité équivalente en eau, donnée qui intéresse EDF, est prise en compte.

Judicieusement placés à des endroits stratégiques des bassins versants des Alpes Françaises, des Pyrénées et du Massif Central, 40 NRC (Nivomètre à Rayonnement Cosmique) de ce type permettent d’évaluer les quantités d’eau qui vont se déverser dans les barrages lors de la fonte des neiges. Une information capitale pour EDF. « Les informations envoyées par les détecteurs en temps réel renseignent également sur le moment où s’amorce la fonte. Ainsi, EDF peut vider ses barrages en conséquence au moment opportun, de sorte qu’ils soient prêts à accueillir l’eau à venir. Cela évite à l’eau de la fonte des neiges de partir dans le trop plein, ce qui entraînerait un manque à gagner de plusieurs millions d’euros. »

Le SDI a été chargé de :

- la conception des détecteurs basés sur des compteurs neutrons de type 3He ou BF3.

- la définition et la mise en place des dispositifs de tests et de calibration (piscine, enceinte climatique)

- la réalisation et l’analyse des tests in situ et en milieux naturels (Col de Porte)

- l’assistance à la maitrise d’ouvrage en tant qu’expert technique pour la phase de rénovation du parc existant (validation des solutions techniques, choix des prestataires et contrôle des réalisations).

Piscine EDF 1  Test en milieu naturel (Parc expérimental du Centre d’Etude de la Neige au Col de Porte)  Visite hivernale du NRC au Col du Mont Cenis

 

Olivier Guillaudin : Responsable Technique, Développement et tests

Mohammed Chala : Mise en place des infrastructures de test

Jean-François Muraz : Conception de l'enveloppe étanche et du blindage

Marc Marton : Mise en place des infrastructures de test


Pour le compte du Laboratoire de Dosimétrie des Rayonnements Ionisants (LDRI) de l'Institut de Radioprotection et de Sureté Nucléaire (IRSN), le SDI a réalisé en 2016 un banc de mesure de courants faibles (pA) compact et mobile.

  • Conception du banc, intégration des instruments
  • Développement du logiciel de pilotage, de mesure et d'analyse
  • Certification de la conformité électrique

 

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Olivier Zimmermann : Responsable Technique, Développement logiciel

Rémi Faure : Développement logiciel

Mohammed Chala : Montage et câblage

Jean-François Muraz : Conception et implantation matériel

Patrick Stassi : Documentation projet