LABORATOIRE DE PHYSIQUE CORPUSCULAIRE - mathieu trocmé

LABORATOIRE
DE
PHYSIQUE CORPUSCULAIRE
- - - - - - - - - - - - -
Rapport de stage JANUS
Étude d’un dispositif de détection
de neutrons non monocinétiques
à basse énergie
Mathieu TROCMÉ
DEUG SM - Université de CAEN
Encadrement : François René LECOLLEY
Juillet 2001 Lpc-Rap 01-02
CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIQUE
----------
INSTITUT NATIONAL
DE PHYSIQUE NUCLÉAIRE ET DE PHYSIQUE DES PARTICULES
----------
INSTITUT DES SCIENCES DE LA MATIÈRE ET DU RAYONNEMENT
----------
UNIVERSITÉ DE CAEN
----------
- U.M.R.6534 -
ISMRA - 6, Boulevard Maréchal Juin - 14050 CAEN CEDEX - France
Téléphone : 02 31 45 25 00 - Télécopie : 02 31 45 25 59
Internet : http://caeinfo.in2p3.fr

ÉTUDE D’UN DISPOSITIF DE
DÉTECTION DE NEUTRONS
NON MONOCINÉTIQUES
A BASSE ÉNERGIE
( Juillet 2001 )

Des problèmes informatiques n’ayant malheureusement
permis aucune impression de spectres réels, tous les spectres
présentés dans ce rapport ne sont que des schémas …

Sommaire 5
SOMMAIRE
Introduction …………………………………………………….……
I - Principe de l’étude : .………………………………………
1 - Principe Général ………………………………….…………
2 - Histoire de détecteurs : ……………………………...………
α - Scintillation ………….………………………………..……….
β - Amplification du signal …………………………………..……
γ - Présentation des détecteurs utilisés ………………..…..…….…
δ - Réglage en tension, étalonnage en énergie
& détermination des seuils de détection ………….……………
3 - Discrimination n / γ ………………………………….……… 19
II - Dispositif expérimental : …………………………………. 23
1 - Mise en place des détecteurs : ………………………………
α- Dispositif utilisé à Bruyères-le-Châtel …………………………
β- Dispositif utilisé au LPC de Caen ………….……………………
2 - Électronique : ………………………………………………..
α- Préambule électronique …………………………………..…..…
β- Électronique de codage : …………………………………..…....
a- Présentation …………………………………………………..…...…
b- Principe des codeurs utilisés …………………………………..…....
c- Codeur en temps ( TDC ) …………………………………..……..…
d- Codeur en charge ( QDC ) …………………………………..…..…..
γ- Électronique logique : ……………………………………..….…
a- Présentation …………………………………………………..….….
b- Discriminateur à Fraction Constante ………………………..….…..
c- Générateur de Portes ………………………………………..…….…
d- Boîte de Coïncidences ………………………………………..….…
e- Module de Coïncidence Rapide ……………………………..…..…..
7
9
9
11
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14
16
23
23
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25
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25
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28
31

Sommaire 6
δ- Discrimination électronique n / γ ……………………………….
ε- Montage final : ………………………………………………….
a- Quelques explications ………………………………………………
b- Schéma ………………………………………………………….…..
3 - Système d’Acquisition ………………………………………
4 - Vue d’ensemble ……………………………………………..
III - Saisie & Analyse des Données : ………………………… 39
1 - Saisie des données ………………………………………...… 39
2 - Analyse des données : …………………………………...….. 39
α- Présentation …………………………………………………… 39
β- Attentes théoriques …………………………………………..… 40
a- Principe ………………………………………………………….….. 40
b- Résultats ……………………………………………………….….… 44
γ- Résultats Expérimentaux ……………………………………..… 48
a- Résolution en énergie …………………………………………….…. 49
b- Seuil en énergie …..……………………………………………….… 50
c- Efficacité …………………………………………………………..… 51
δ- Simulation …………………………………………………….... 53
Conclusion ………………………………………………………..… 55
Annexe I : Interactions photons / matière …………………..…. 57
Effet Compton
Effet photoélectrique
Création de paires
Compétition entre ces 3 effets
Bibliographie & e-Annexes ………………..……………….…….. 63
Remerciements ……………………………………………….…….. 65
31
32
33
35
36
37

Introduction
INTRODUCTION
Le retraitement des déchets nucléaires n’est pas sans poser certains problèmes, et ce,
tant sur le plan technologique que sur le plan culturel. Plus personne, en effet, ne s’étonne
aujourd’hui des manifestations parfois spectaculaires organisées dans le cadre d’un convoi,
d’un projet d’enfouissement ou d’un incident dans une centrale et dont les médias sont
particulièrement friands car en France, le nucléaire fait peur. Pourtant, bien que 78% de
l’énergie française soit issue du nucléaire et que 1200 tonnes de déchets nucléaires soient
produits chaque année dans l’hexagone provenant majoritairement des centrales électriques,
mais aussi de l’industrie, de l’armée et des hôpitaux, aucun incident sérieux n’est à déplorer
depuis les années 70, période durant laquelle, la France, affaiblie par deux chocs pétroliers
majeurs (73 et 79) et réalisant alors l’ampleur de sa dépendance énergétique, s’est résolument
engagée dans le nucléaire. Technologiquement, le stockage en surface et l’enfouissement en
zones isolées sont des solutions adaptées pour les déchets de très faible, faible et moyenne
activité à courte ou longue durée de vie et pour les déchets de haute activité à courte durée de
vie parce que justement soit leur activité est peu importante, soit leur longévité est faible. Le
problème réside en fait dans les déchets radioactifs de haute activité à longue durée de vie que
sont essentiellement les transuraniens non recyclables ( 237 Np, 245 Ci, 243 Am, … ) et quelques
rares produits de fission ( 129 In, 99 Tc, 135 Cs ) ; déchets pour lesquels une loi – la loi « Bataille »
– a d’ailleurs été promulguée le 30 Décembre 1991 demandant aux organismes de recherche
public de trouver des solutions afin d’en « assurer la gestion dans le respect de la nature, de
l’environnement et de la santé, en prenant en considération les générations futures » .
C’est dans cette optique qu’en Janvier 1996 est né le groupe de recherche GEDÉON
( GEstion des DÉchets par Options Nouvelles ). Composé de l’IN2P3 (CNRS), du CEA, de
FRAMATOME et d’EDF, son but est d’étudier la transmutation des noyaux radioactifs en
noyaux stables ou, du moins, à durée de vie plus courte. Pour ce faire, on favorise un
processus de capture neutronique en envoyant un faisceau de protons de l’ordre d’1 GeV dans
une cible de plusieurs mètres cube de plomb dite cible de spallation. Chaque noyau de plomb
heurté émet alors en moyenne 17 neutrons, qui, de par l’épaisseur de la cible, sont peu à peu
ralentis. En sortie de la cible, ils possèdent donc une énergie suffisamment faible pour être
capturés par les noyaux radioactifs qui peuvent alors être transmutés. Toutefois, beaucoup de
neutrons s’échappent de la cible et viennent interagir avec son environnement proche. Aussi
est-il important de pouvoir prévoir, de pouvoir simuler le comportement de ces derniers dans
la matière. Ce qui n’est pas chose aisée, car, non chargés et donc non soumis aux effets
coulombiens, les neutrons n’interagissent que nucléairement avec celle-ci, c’est-à-dire de
façon statistique ( non systématique ). Ce qui rend leur détection et leur identification plus
difficile que celles des particules chargées.
7

Introduction
Dans ce cadre, le LPC de Caen, en collaboration avec d’autres laboratoires de la
communauté européenne, s’est engagée dans une campagne de mesures de données nucléaires
sur trois ans. Un des objectifs de cette campagne est la détermination des sections efficaces
doublement différentielles dans les réactions neutrons-neutrons ( i.e. la détermination des
probabilités d’interaction des neutrons dans les réactions qu’ils induisent et au terme
desquelles ils sont produits, et ce, en fonction de leur énergie et de leur angle de diffusion ).
A cet effet, le LPCC travaille sur deux ensembles de détection distincts :
- CLODIA ( Chambre à LOcalisation par DérIve et Amplification ) couplée à
SCANDAL ( SCAttered Nucleon Detection AssembLy ) pour les hautes énergies
( de 30 à 200 MeV )
- DÉCOÏ ( DÉtecteur de COÏncidence ) en association avec un module DÉMON
( DÉtecteur MOdulaire de Neutrons ) pour les basses énergies ( de 1 à 40 MeV )
la mise en commun de ces deux dispositifs permettant ainsi de couvrir complètement la
gamme en énergie à étudier, à savoir une gamme s’étalant de 1 à 200 MeV.
Des mesures ayant déjà été effectuées avec le second ensemble de détection sur un
faisceau de neutrons à Bruyères-le-Châtel à Pâques 2001, il restait à étudier les
caractéristiques de ce dispositif vis-à-vis d’une source de neutrons non monocinétiques
connue pour en déterminer l’efficacité, le seuil en énergie et la résolution énergétique. Aussi,
le travail fourni dans ce rapport porte-t-il sur une partie de cette étude, à savoir qu’il se borne
à ces mesures en se plaçant dans une configuration géométrique simple. Les deux détecteurs
sont face à face à même hauteur. Seule la distance qui les sépare varie.
8

I. Principe de l’Étude 9
I - Principe de l’étude
I.1 - Principe Général :
Le but de cette étude est donc d’arriver à déterminer 3 grandeurs :
1. L’efficacité du dispositif, c’est-à-dire le rapport entre neutrons "réellement"
émis et neutrons effectivement détectés.
2. La résolution en énergie de cet ensemble de détection i.e. la finesse de
définition en énergie de ce dernier. Plus celle-ci est élevée, plus la précision
liée aux mesures est grande.
3. Le seuil en énergie de ce système, autrement dit, la limite énergétique audelà
de laquelle un neutron n’est plus détectable.
Comme l’introduction l’a précisé, les neutrons n’étant pas chargés, ils n’interagissent
dans la matière que lorsqu’une autre particule de dimension semblable se trouve sur leur
trajectoire. Les particules chargées étant "aisément" détectables, la détection des neutrons se
fait par l’intermédiaire de collisions sur des protons, ces derniers étant très semblables aux
neutrons ( dimension et masse très voisine ). Ce qui peut alors donner lieu à deux types de
diffusion : des diffusions élastiques – induisant conservation de l’énergie totale ( et
conservation de la quantité de mouvement ) donc conservation de l’énergie cinétique – , et des
diffusions inélastiques – n’induisant, elles, que conservation de l’impulsion – Les premières
s’exploitant plus facilement que les secondes, on tente donc de les favoriser. C’est pourquoi la
source de neutrons et les deux détecteurs ( DÉCOÏ et DÉMON ) sont alignés, la probabilité
associée à une diffusion élastique dans cette configuration étant maximale ( plus de 95% ).
Neutron incident
émis par la source
T p
DEC
n
AVANT
COLLISION
Proton de DÉCOÏ
servant à détecter le
neutron incident
T = 0
APRÈS
COLLISION
Neutron incident
diffusé
'
T n
Proton de DÉCOÏ
diffusé
T
'
p
DEC

I. Principe de l’Étude 10
En appliquant le principe de la conservation de l’énergie, on obtient donc conservation
de l’énergie cinétique :
2
2
2 ' 2
( m c + T ) + ( m c + T ) = ( m c + T ) + ( m c + T
n
n
⇔
p
PDEC
n n p
'
PDEC
T = T + T
n
Aussi, pour accéder à l’énergie cinétique des neutrons incidents, suffit-il de calculer
les énergies cinétiques du neutron et du proton diffusés dans le premier détecteur.
L’énergie cinétique du neutron diffusé est obtenue par la mesure du temps que met ce
dernier pour aller du premier détecteur au second – donc de DÉCOÏ au module DÉMON –
( on parle de temps de vol ). La distance les séparant étant connue ( la distance de vol donc ),
on peut en déduire la vitesse du neutron diffusé et ainsi remonter à son énergie cinétique:
'
v n =
d
t
vol
vol
'
n
'
PDEC
'
v ²
c²
− 1
Tn n
n
'
n 2
& = ( γ −1)
⋅ m c²
= ( ( 1−
) −1
) ⋅ m c²
L’énergie cinétique du proton diffusé dans DÉCOÏ, quant à elle, est obtenue par
transposition graphique à l’aide du spectre énergétique d’une source radioactive connue ( Cf
I.2.γ - Étalonnage en tension et détermination des seuils de détection, p.16 ). DÉCOÏ étant un
détecteur "double" ( Cf I.2.β - Amplification du signal, p.13 ), il suffit alors de faire la
somme de l’énergie cinétique partielle obtenue dans chaque détecteur :
D’où,
T = T + T
' '
'
PDEC
PDEC
P
1 DEC 2
1
⎡
−
2
⎛ d 2
( vol ⎞
⎤
⎢⎜
) ⎟ ⎥
t
T ⎥
n = ⎢⎜
− ⎟ −
+
⎢⎜
c²
⎟ ⎥
⎢⎜
⎟ ⎥
⎢⎣
⎝
⎠ ⎥⎦
vol
'
'
1 1 ⋅ mn
c²
+ TP
T
DEC1 PDEC
I.2 - Histoire de détecteurs :
Avant d’aller plus loin, il semble nécessaire de donner quelques informations sur les
détecteurs utilisés. Aussi ce paragraphe tentera-t-il de répondre aux questions suivantes :
Comment fonctionnent-t-ils ? A quoi ressemblent-ils ? Comment les étalonne-t-on ? …
2
)

I. Principe de l’Étude 11
I.2.α - Scintillation :
Les deux détecteurs utilisés ( DÉMON et DÉCOÏ ) reposent sur le même principe: la
scintillation. Dès qu’une particule chargée se meut dans la matière, elle l’ionise. En effet, la
variation de toutes les interactions coulombiennes qui est alors induite, contribue à exciter le
milieu traversé: les électrons des atomes initialement à l’état fondamental se retrouvent
excités. Et c’est la désexcitation de ce même milieu qui engendre par émission photonique de
la lumière. On dit que le milieu scintille.
C’est pourquoi les détecteurs utilisant ce phénomène sont appelés scintillateurs. A cet
égard, il existe 2 grands types de scintillateurs :
les scintillateurs inorganiques ( i.e. dépourvus d’atomes de carbone )
Généralement, des cristaux semi-conducteurs ou isolant.
les scintillateurs organiques (i.e. dont le carbone entre dans la composition )
Le plus souvent, des plastiques liquides ou solides.
Le phénomène de scintillation est d’ailleurs un peu différent pour cette dernière famille car ce
n’est pas le plastique lui-même qui, par désexcitation, scintille, mais une molécule – dérivant
habituellement du benzène – qui, rajoutée à ce dernier, a un effet scintillant, le plastique se
contentant de propager l’excitation induite par la particule incidente jusqu’à cette molécule.
En outre, pour qu’un milieu soit dit scintillant, il faut absolument qu’il soit transparent
à la lumière qu’il engendre c’est-à-dire que les photons d’origine atomique qu’il génère par
désexcitation ne viennent pas réexciter ce même milieu, mais au contraire qu’ils puissent s’en
échapper sans être "vus". Pour ce faire, on "dope" les scintillateurs avec des impuretés pour
les scintillateurs inorganiques ( par exemple du Thallium pour les cristaux de NaI ), avec une
substance chimique permettant de décaler la longueur d’onde de la lumière émise pour les
scintillateurs organiques.
En ce qui concerne DÉMON et DÉCOÏ, qui, tous deux sont des scintillateurs
organiques – l’un solide ( DÉCOÏ ), l’autre liquide ( DÉMON ) – les milieux scintillants
employés sont :
– du BC 501 pour DÉMON ( BC car la firme le produisant s’appelle Bicron
Company ), anciennement NE 213 ( NE comme Nuclear Entreprise, l’ex-firme le
fabriquant et 213 car 213 correspond à la partie décimale du rapport nombre
d’atomes d’hydrogène sur nombre d’atomes de carbone égal à 1.213 ) et de
composition tenue secrète.
– du BC 400 pour DÉCOÏ ( qui aujourd’hui, si Nuclear Entreprise existait toujours
se serait appelé NE 103 ), majoritairement composé de Polyvinyltoluène dont voici
la formule :

I. Principe de l’Étude 12
Ce n’est d’ailleurs pas un hasard si les anciens noms de ces milieux étaient fonction de
ce rapport, ces derniers n’étant presque totalement composés que d’hydrogène et de carbone.
Le phénomène de scintillation n’existant qu’autour de la trajectoire d’une particule chargée et
cette étude portant sur la détection de neutrons – particules non chargées – , on utilise en effet
des milieux scintillants très hydrogénés ( donc riches en protons ) afin de favoriser les
collisions entre ces derniers et les neutrons incidents. Toutefois, la source neutronique utilisée
est aussi émettrice de photons gammas. Les collisions gammas/protons et neutrons/électrons
n’ayant pour des raisons de compatibilité de longueur d’onde que très peu lieu d’être, ces
photons gammas viennent percuter les électrons liés aux protons du milieu scintillant, celui-ci
étant électriquement neutre. Et ce sont ces protons et ces électrons mis en mouvement ( on
parle de proton de recul et d’électrons de recul ) qui, venant exciter localement leur
environnement, permettent, via l’émission photonique résultant de la désexcitation atomique
ainsi induite, la détection des neutrons.
A noter qu’avant de traiter cette information rayonnante, les photons sont
préalablement canalisés à l’aide d’un guide de lumière transparent aux parois réfléchissantes
que l’on peut apercevoir sur la photo ci-dessous; photo sur laquelle M. Fontbonne est aux
prises avec le montage de DÉCOÏ.
Plastique scintillant
de PolyVinylToluène
Guide de lumière
en plexiglas

I. Principe de l’Étude 13
I.2.β - Amplification du signal :
Car aujourd’hui encore un signal électrique reste beaucoup plus simple à traiter qu’un
signal lumineux – la photonique se faisant encore très discrète – , la conversion de la lumière
issue de la détection des neutrons dans les scintillateurs en pulse électrique exploitable est
nécessaire. Pour ce faire, on a recours, et ce, depuis les années 20, à des photomutiplicateurs,
qui, couplés à des scintillateurs, se montrent très efficaces.
Un photomultiplicateur est composé d’une photocathode semi-conductrice, d’un
ensemble d’électrodes multiplicatrices d’électrons appelées dynodes et d’une anode
collectrice, le tout contenu dans une enceinte dans laquelle règne un vide poussé. Les photons
issus de la scintillation – après avoir été acheminés à la photocathode via le guide de lumière
– viennent frapper cette dernière, et, par effet photoélectrique, lui arracher un électron ( Cf
Annexe I, p.57 ). Le photoélectron engendré – qui n’est en fait qu’un simple électron et qui,
seul, bien sûr, ne peut se substituer à un signal – est alors focalisé et accéléré à l’aide de
champs électriques, puis tombe sur la première dynode portée à un potentiel positif. C’est
alors que commence le phénomène de multiplication… Ce même (photo)électron, en frappant
la première dynode, arrache par un processus appelé émission secondaire – pendant de l’effet
photoélectrique mais avec comme particule incidente des électrons – , une dizaine d’électrons
de beaucoup plus faible énergie. Ces derniers sont alors attirés vers la seconde dynode portée
à un potentiel plus élevé. Ce faisant, ils sont donc accélérés et gagnent une énergie suffisante
pour à leur tour venir arracher des électrons par le même mécanisme. En réitérant ce
phénomène d’avalanche et de cascade d’électrons sur plusieurs étages de dynodes, on arrive
ainsi à obtenir un signal électrique suffisamment intense sur l’anode collectrice.
Recueil du
signal électrique
Anode
collectrice
Ensemble des
dynodes
Première
dynode
Espace
d’Accélération
Espace de
Focalisation
Photon
incident
Photoélectron
Photocathode
Bien sûr, toutes les dynodes sont placées de manière à favoriser au mieux ce
processus, les électrons ne devant théoriquement pas se retrouver "perdus" dans le
photomultiplicateur. L’optimisation géométrique y est donc maximale. Typiquement, pour un
électron en sortie de la photocathode, on obtient, et ce en estimant que pour 1 électron
incident, 10 sont arrachés ( i.e. on gagne un facteur 10 après chaque dynode ) et que le

I. Principe de l’Étude 14
photomultiplicateur comporte 8 dynodes, 10 8 électrons sur l’anode de collection i.e.
100 millions ( Soit Nf, le nombre d’électrons final, ne, le nombre moyen d’électrons arrachés
après chaque dynode et n, le nombre de dynodes, Nf = ne n ). Ce qui, vu qu’en moyenne il faut
1 ns pour passer d’une dynode à l’autre, soit à peu près 10 ns pour l’ensemble du
photomultiplicateur, engendre un courant de l’ordre du milliampère :
Q
I =
t
N f ⋅ e
= =
t
×
8
−19
10 1.
602 10
−3
≈10
−8
Remarque: Toute photocathode est caractérisée par son rendement photoquantique ( ou efficacité
quantique ). Typiquement, pour des photons dont l’énergie est comprise dans une gamme énergétique bien
précise, ce dernier tourne autour de 30 %. Ce qui revient à dire qu’en moyenne, il faut 3 photons pour espérer
arracher un électron ( i.e. un photon a une chance sur trois d’interagir avec 1 électron par effet photoélectrique;
dans 70 % des cas, soit il interagira par effet Compton ( Cf Annexe I, p.57 ) et donc n’arrachera pas d’électrons,
soit il traversera la photocathode de part en part sans interagir du tout ).
I.2.γ - Présentation des détecteurs utilisés :
Pour concrétiser tout ce qui vient d’être dit sont présentés ci-dessous et ci-contre les
deux détecteurs utilisés DÉCOÏ et un module DÉMON.
Tout d’abord DÉCOÏ, ses 2 photomultiplicateurs et son plastique…
Scintillateur Organique Solide
( Scintillateur Plastique )
BC 400
( NE 103 )
10
DÉCOÏ
( DÉtecteur de COÏncidences )
⋅
A
PhotoMultiplicateurs

I. Principe de l’Étude 15
Recueil
du signal
Puis le module DÉMON, son photomultiplicateur et sa cellule
scintillante renfermant le fameux NE 213 …
Module DÉMON
( DÉtecteur MOdulaire de Neutrons )
PhotoMultiplicateur
Scintillateur Liquide
BC 501
( NE 213 )
Entrée
des particules

I. Principe de l’Étude 16
I.2.δ - Réglage en tension, étalonnage en énergie
& détermination des seuils de détection :
Le réglage en tension des PhotoMultiplicateurs ( PM ) et la détermination du seuil de
détection des deux scintillateurs n’ont en fait été réalisés que sur DÉMON. DÉCOÏ ayant été
développé au LPC de Caen par Messieurs Fontbonne et Hay, des mesures ont en effet déjà été
effectuées, ces dernières estimant à 50 keV équivalent électron ( 50 keV/éqE ~ Cf Remarque
p.18 ) le seuil de détection de ce dernier et préconisant une tension d’alimentation pour les 2
PM d’environ 1800 V, et ce, afin non seulement d’optimiser au maximum le rapport signal
sur bruit – généré par l’électronique utilisée et les PM eux-mêmes – tout en gardant une
résolution correcte ( Plus on élève la tension et plus ce rapport augmente, mais ce, seulement
jusqu’à une certaine tension limite au delà de laquelle le PM se met alors à générer un bruit
propre tendant à faire diminuer exponentiellement ce même rapport ), mais aussi afin que
linéaire soit la relation entre charge et énergie ( Cf ci-dessous ). En conséquence, une tension
de 1800 V a été appliquée aux 2 PM de DÉCOÏ.
En ce qui concerne la cellule DÉMON utilisée, faute d’une documentation précise à
son égard ( Il n’existe en effet qu’une notice générale regroupant les caractéristiques
moyennes d’un module standard ), l’étalonnage en tension a nécessité l’utilisation de deux
22
137
sources radioactives de 11 Na et de 55 Cs , toutes deux engendrant par désintégration une
émission de photons gammas détectés par effet Compton ( Cf Annexe I, p.57 ) de 511 et de
1274.54 keV pour le sodium 22, de 661.66 keV pour le Césium 137 ( Table of Isotopes / 8 th
edition ~ Richard B. Firestone ~ Shirley Edition ).
La première étape consiste en un réglage grossier de la tension appliquée au PM de
DÉMON. On fait varier cette dernière par pas d’une centaine de volts jusqu’à graphiquement
trouver un compromis entre formes des rebords des plateaux Compton ( Cf Annexe I, p.57 ) et
d’une part largeur de ces derniers, d’autre part bruit de fond: plus on élève la tension et plus la
structure de ces " pics Compton " ressort, mais plus on élève la tension et plus le bruit de fond
croît, dégradant ainsi la résolution.
La deuxième est calculatoire. Les spectres obtenus étant de la forme: Q = a (Cn) + b
( où Q est la charge du signal physique en sortie des détecteurs et Cn le canal utilisé pour
coder cette charge ~ Cf II.2.β.b - Principe des codeur utilisés, p.25 & II.2.β.d - Codeur en
charge (QDC), p.26 ), ils peuvent se mettre sous la forme: T = α (Cn) + β à condition que la
relation entre énergie et charge soit linéaire ( de la forme : Q = cT + d ) c’est-à-dire, à
condition que le 3 ème point issu du spectre avec le Césium appartienne à cette droite. Pour ce
faire, on fait concorder les canaux correspondants aux rebords des plateaux Compton
( déterminés avec la règle des 60% ~ Cf Annexe I, p.57 ) avec leurs énergies respectives :

I. Principe de l’Étude 17
Soit T l’énergie associée à chaque Rebord de Plateau Compton, on a :
RPC
T
RPC
= T
'
e MAX
2Eγ
²
=
m c²
+ 2E
e
γ
( E = 511 keV ) ≈ 340.
keV
'
T Te
67
RPC1
MAX
= γ
D ’où, TRPC 2
'
= Te
( MAX Eγ
= 1274.
54 keV ) ≈1061.
71 keV
'
Te
( E = 661.
66 keV ) ≈ 477.
34 keV
TRPC 3 MAX
= γ
Et d’où l’obtention des coefficients α et β :
T − T
RPC 2 RPC1
α =
& β = T − α ⋅ Cn = T − α ⋅ Cn
RPC1
1 RPC 2
2
Cn − Cn
2
1
Une première vérification de la bonne linéarité entre charge et énergie ( avant même de monter des
spectres avec le Césium ) consiste à calculer la position du canal correspondant à une énergie cinétique
nulle ( Cn = −β
/ α ) et à s’assurer que ce canal se trouve bien en avant du spectre proprement dit.
i
( Cf Annexe I, p.57 )
'
T e représente l’énergie cinétique maximale
MAX
des électrons diffusés par les photons incidents issus
de la source; la détection de ces derniers, non
chargés, se faisant en effet indirectement, par
l’intermédiaire de celle des électrons avec lesquels ils
interagissent au sein du détecteur.
Il ne reste alors plus qu’à s’assurer qu’aux incertitudes de canaux près, le " pic Compton " du
Césium vérifie bien cette relation. Il faut donc que :
T − T
T ≈ α ⋅ Cn + β =
+
Cn − Cn
RPC 2 RPC1
( ) ⋅ ( Cn − Cn ) T
3
1
1
RPC 3 3
RPC
2
1
Ce qui, en fait, consiste à faire l’étalonnage en énergie de DÉMON. Pour DÉCOÏ – car
finalement seul l’étalonnage en énergie de ce dernier est intéressant ( la mesure de l’énergie
' '
cinétique des protons diffusés en son sein étant nécessaire ( T n = Tn
+ TP
) et le module
DEC
DÉMON ne servant qu’à générer un "STOP" pour la mesure du temps de vol et à faire la
discrimination n/γ ( Cf I.3 - Discrimination n/γ, p.19 ) ) – il suffit de procéder de même.

I. Principe de l’Étude 18
Pour ce qui est du seuil de détection de DÉMON, qui représente la limite énergétique
au-delà de laquelle il n’est plus possible de détecter une particule, il est obtenu graphiquement
comme l’énergie associée au premier canal pour lequel le nombre de coups n’est pas nul
( Cns ). Ce qui, physiquement, traduit le fait que les particules de recul issues des scintillateurs
( protons et électrons ) doivent être animées d’une énergie cinétique minimale, sans quoi
l’excitation qu’elles induisent n’est pas suffisante et les photons engendrés par désexcitation
atomique n’ont alors pas assez d’énergie pour arracher un électron sur la photocathode et ainsi
générer un signal électrique.
Nombre de
coups
Cni Cns
Ti=0 keV/éqE Ts=50 keV/éqE
Remarque :
Pic associé au bruit
de fond résiduel
Cn1
TRPC1 =340.67 keV/éqE
( Eγ=511 keV )
La particule "/éqE" signifie "équivalent électron". Elle est due au fait que la détermination des seuils de
détection des 2 détecteurs s’est fait à l’aide d’une source radioactive de photons gammas, ces derniers étant
détectés par effet Compton après collision sur des électrons ( Cf plus haut ). Toutefois, la détermination de ces
seuils aurait très bien pu se faire avec un faisceau monocinétique de neutrons ou de protons, auquel cas, on aurait
parlé de keV équivalent proton ( keV/éqP ). C’est pourquoi il est important de toujours préciser quelle
équivalence est utilisée, et ce, d’autant plus que cette notion d’équivalence est primordiale pour la détermination
de l’efficacité du dispositif ( Cf III.2.γ.c - Efficacité, p.52 ).
Pour résumer, tout ce travail a donc permis :
" Spectre Compton " obtenu avec la source 22 Na
" Spectre Compton " obtenu avec la source 137 Cs
Plateaux Compton
Cn3
TRPC3 =477.34 keV/éqE
( Eγ=661.66 keV )
" Pics Compton "
Cn2
TRPC2 =1061.71 keV/éqE
( Eγ=1274.54 keV )
Bruit de Fond
Canal
~
Energie cinétique des
électrons diffusés
( T’e en keV/éqE )
1. L’étalonnage en énergie de DÉCOÏ.
2. L’étalonnage en énergie de DÉMON et donc a détermination de la tension
d’alimentation à appliquer à ce dernier, à savoir une tension de 2000 Volts.
3. La détermination du seuil de détection moyen de: 50 keV/éqE.

I. Principe de l’Étude 19
I.3 - Discrimination n/γ :
Comme il a été précisé plus haut ( Cf I.2.α - Scintillation, p.11 ) et car ces particules
sont non chargées, on détecte aussi bien des neutrons que des photons gammas. Cependant,
cette étude ne portant que sur la détection de neutrons, comment être sûr de n’avoir à faire
qu’à des neutrons ? La réponse à cette question réside dans l’utilisation du module DÉMON,
ce dernier permettant de discriminer ces deux types de particules. Il réalise ce qu’on appelle
une discrimination n / γ.
Cette discrimination n / γ repose sur l’analyse en forme du signal "lumineux" issu de
DÉMON, la détection des neutrons et des photons gammas au sein de celui-ci engendrant de
la lumière que l’on convertit ensuite en signal électrique ( Cf I.2.α - Scintillation, p.11 ). Les
neutrons venant frapper les protons de DÉMON, les photons gammas, ses électrons, ces
derniers s’animent et viennent exciter leur environnement. Cependant, un proton étant environ
1800 fois plus lourd qu’un électron, leurs modes d’excitation diffèrent. De fait, le temps
d’émission de la lumière en résultant aussi, et ce, de telle sorte que le signal électrique en
sortie de DÉMON associé à un neutron possède une pente inférieure ( en valeur absolue ) à
celui correspondant à un photon gamma.
Tension du signal recueilli
en sortie de DÉMON
~ 20 mV
5-10 ns
"Signal Neutron"
"Signal Gamma"
Temps
Ce qui s’explique par le fait que plus une particule est ionisante ( donc lourde car elle
est alors plus rapidement arrêtée dans la matière ), plus elle engendre de la lumière retardée.
Un proton étant donc plus ionisant qu’un électron, il dépose, pendant le même intervalle de
temps, plus d’énergie qu’un électron. L’excitation des molécules environnantes est alors plus
importante et temporellement plus longue.
En pratique, on procède par double intégration électronique ( Cf II.1.δ -
Discrimination électronique n / γ, p.31 ). On commence tout d’abord par intégrer le signal

I. Principe de l’Étude 20
total ( les 2 signaux étant de durée semblable ), puis on n’en intègre qu’un bout de telle façon
à obtenir un rapport signal total sur signal tronqué ( on parle respectivement de composante
totale et lente ) qui diffère le plus possible selon que l’on ait à faire à des neutrons ou à des
gammas. Aussi cette intégration partielle se fait-elle approximativement à partir de l’endroit
où commencent à se différencier les 2 signaux; d’où le nom de composante lente, la pente
associée aux signaux dans cette seconde partie étant très inférieure ( en valeur absolue ) à
celle associée à ceux de la première, appelés par conséquent composantes rapides. Les aires
alors obtenues étant différentes, on obtient des rapports différents que l’on représente sur un
graphique composante totale en fonction de composante lente ( Cf ci-dessous ).
NB: Le rapport relatif aux neutrons est toujours supérieur ( en valeur absolue ) à celui relatif aux
gammas, et ce, même si la composante totale associée aux neutrons est toujours un peu supérieure ( en valeur
absolue ) à celle associée aux gammas, le "gros" du signal se trouvant en effet dans les composantes rapides.
A T≈ cst, | SCn | > | SCγ | .
Composante lente
SlowComponent
SC
Zone mixte
Seuil de
discrimination
SC = TC
Domaine ne comprenant que des
évènements relatifs aux neutrons
"Banane" Neutrons
"Banane" Gammas
Composante totale
Total Component
TC
L’utilité de ce graphique réside donc d’une part dans le fait qu’a posteriori, on peut en
extraire seulement les évènements intéressants, en l’occurrence ici, tous les évènements
appartenant à la banane neutron et se situant au-delà du seuil de discrimination ( Cf III.2.α -
Présentation, p.35 ), d’autre part, dans une information capitale, qui, d’ailleurs, en plus de
l’efficacité, de la résolution énergétique et du seuil en énergie vient s’ajouter à la liste des
caractéristiques à déterminer pour l’ensemble de détection: le seuil de discrimination, qui
correspond à la limite énergétique au-dessous de laquelle la différenciation entre neutrons et
gammas ne peut plus se faire. Typiquement, pour une cellule DÉMON standard, ce seuil varie
de 150 keV équivalent électron ( 150 keV/éqE ) à 350 keV/éqE avec une moyenne avoisinant
les 300 keV/éqE.

I. Principe de l’Étude 21
Remarque :
Les milieux scintillants n’étant composés presque exclusivement que d’hydrogène et
de carbone, deux réactions sont attendues :
1
0
1
0
n
n
+
+
1
1
12
6
H
C
la seconde, classiquement assimilable au lancer d’un cochonnet sur une boule de pétanque,
n’ayant aucune conséquence, sauf si l’énergie du neutron incident est suffisamment grande.
Dans ce cas, l’atome de carbone est excité et émet un photon gamma pour revenir dans son
état fondamental. Ce qui, venant alors contaminer les mesures en faisant grossir la banane
gamma, implique une correction sur l’efficacité du dispositif: on croit avoir détecté un photon,
alors qu’en réalité, la particule à détecter était un neutron.
1
0
n
12
6
1
0
12
6
→
→
1
0
1
0
n
n
+
+
1
0
1
1
12
6
+ C → n + C
*
→ n + C +
Néanmoins, ce facteur correctif reste faible car, comme toutes les réactions annexes
sub-figurées pouvant avoir lieu, cette dernière requiert que les neutrons incidents aient une
énergie cinétique minimale de l’ordre de la quinzaine de MeV. Aussi, du fait qu’à ces
énergies la source neutronique utilisée commence à se tarir, les sections efficaces de ces
réactions ( i.e. les probabilités qu’effectivement elles se réalisent ) sont très faibles. Elles sont
donc négligeables ( au même titre d’ailleurs que toutes réinteractions des neutrons ou des
photons gamma au sein de DÉMON: une fois diffusés, il est statistiquement presque
impossible que de nouveau, ils frappent une particule de recul et soient ainsi doublement
détectés ).
1
0
n
+
12
6
C
→
4
2
He
+
9
4
1 12
4
0 n + 6 C → 3 ⋅ 2 He +
1
0
n
+
12
6
C
1
→ 0 n
…
+
1
1
H
H
C
Be
1
0
+
n
12
6
11
5
B
0
0γ

I. Principe de l’Étude 22

II. Dispositif Expérimental
II - Dispositif Expérimental
II.1 - Mise en place des détecteurs :
II.1.α - Dispositif utilisé à Bruyères-le-Châtel :
Comme il a été précisé dans l’introduction, le dispositif utilisé à Bruyères-le-Châtel ne
visait que de neutrons monocinétiques, c’est-à-dire des neutrons issus d’un faisceau. Aussi,
afin de pouvoir jouer sur la distance séparant les deux détecteurs tout en faisant en sorte que
ces deux derniers soient à hauteur de faisceau, s’est-il avéré nécessaire de construire un
système de coulisses surélevé.
23

II. Dispositif Expérimental
II.1.β - Dispositif utilisé au LPC de Caen :
L’étude de ce même dispositif au LPC portant sur des neutrons non monocinétiques, la
configuration adoptée est quelque peu différente. Les deux détecteurs sont posés sur une table
en bois et installés à même hauteur à l’aide de cales. La source radioactive émettrice de
neutrons ( de l’Américium-Bérylium ) est plaquée juste derrière DÉCOÏ sur un repose-source
de fortune fabriqué pour l’occasion et de telle sorte que ce dernier fasse avec DÉCOÏ un angle
solide de pratiquement 2π sr.
Des bandes de ruban adhésif ont en outre été posées sur la table tous les 10 cm pour
faciliter la mesure de la distance séparant les deux détecteurs, et de cette façon pouvoir
estimer la distance de vol parcourue par les neutrons.
24

II. Dispositif Expérimental
II.2 - Électronique :
II.2.α - Préambule électronique :
Se devant de traiter des signaux ultra rapides de l’ordre de la dizaine de nanosecondes,
l’électronique utilisée en instrumentation nucléaire est une électronique spécifique dans
laquelle l’intégration des différents signaux physiques - parce qu’elle permet de se ramener à
des énergies - joue un rôle clef. Aussi, l’électronique “nucléaire” s’organise t-elle autour de 2
pôles, de 2 types d’électronique :
• Une électronique de codage, qui permet de transformer ou d’intégrer ces
différents signaux
• Une électronique logique, dont le but est – entre autre – de générer les bornes
d’intégration temporelles des signaux à intégrer
II.2.β - Électronique de codage :
II.2.β.a - Présentation :
La détermination de l’énergie cinétique des neutrons incidents nécessitant la
connaissance du temps de vol des neutrons diffusés dans DÉCOÏ et celle de l’énergie
' '
cinétique des protons de recul de DÉCOÏ ( T = T + T ) , deux codeurs sont utilisés :
n
n
- Un codeur en temps ou TDC ( Time Digital Convertor ), permettant le montage
de spectres en temps de vol ( ou tof pour Time Of Flight ) des neutrons diffusés
en fonction du nombre de coups détectés: tof(nbCoups)
- Un codeur en charge ou QDC ( Q - pour désigner la charge - Digital Convertor ),
qui lui, par intégration "directe" du signal physique en u(t) issu des détecteurs,
permet d’obtenir des spectres Q(nbCoups); ces derniers, pouvant par
l’intermédiaire d’une source radioactive aux caractéristiques connues, être
convertis en spectres Energie(nbCoups).
II.2.β.b - Principe des codeurs utilisés :
Les 2 codeurs utilisés reposent sur le même principe, à savoir que ce sont tous deux
des convertisseurs analogique-numérique. Ils reçoivent la valeur d’une grandeur physique
( 1 charge ou 1 temps ) puis la codent en un nombre entier compris entre 0 et 2047 ( codeur
11 bits ~ 2 11 -1 = 2047 ) ou 4095 ( codeur 12 bits ~ 2 12 -1 = 4095 ). Chaque nombre entier
obtenu correspond à 1 canal, chaque canal codant ainsi un intervalle de valeurs bien précis; ce
dernier, encore appelé gamme, pouvant d’ailleurs être directement paramétré sur le codeur en
question.
P
DEC
25

II. Dispositif Expérimental
II.2.β.c - Codeur en temps ( TDC ) :
Le TDC utilisé est un codeur 11 bits comprenant une entrée START et huit entrées
STOP – ce qui peut s’avérer utile si l’on cherche à couvrir une surface angulaire importante,
car alors chaque détecteur supplémentaire utilisé peut fournir un STOP – Le codage en temps
s’effectue en 2 étapes :
1- Traduction d’une tension en temps
2- Conversion analogique-numérique
La première étape consiste grossièrement à jouer sur un interrupteur. Dés qu’un signal
arrive sur la borne START du TDC, un courant continu est généré pour venir charger un
condensateur, et ce, jusqu’à ce qu’un second signal vienne frapper sa borne STOP. Le courant
est alors coupé, provoquant la décharge du condensateur. La tension ainsi recueillie étant
proportionnelle au temps de charge du condensateur lui-même proportionnel au temps s’étant
écoulé entre l’arrivée des deux impulsions, il ne reste plus qu’à coder ce dernier en un entier
compris entre 0 et 2047 ( Deuxième étape ). Si le second signal tarde à arriver ou n’arrive pas,
le condensateur se décharge tout seul – la tension à ses bornes étant devenue trop importante –
et l’entier obtenu par codage est alors 2047. Aussi est-il important de bien choisir la gamme
du TDC dont l’on veut se servir. Pour le TDC utilisé, 3 gammes sont proposées: 50 ps.Cn -1
( i.e. 50 picosecondes par canal ), 100 ps.Cn -1 ou 250 ps.Cn -1 . Cependant, ces gammes ne sont
qu’approximatives. Aussi, avant de monter tous spectres en temps, faut-il étalonner le TDC.
Pour ce faire, un même signal est injecté en START et en STOP du TDC de telle sorte que
l’on s’arrange pour retarder artificiellement ce dernier avant qu’il n’arrive en STOP. On
utilise pour cela du câble, 1m de câble engendrant un retard moyen de 4,7 ns. Ce retard
correspondant à un canal bien précis du TDC – déterminé par visualisation du spectre en
temps de vol –, un point de coordonnées (Cn1;t1) est ainsi obtenu. Il suffit alors de répéter
l’opération une deuxième fois avec un retard différent pour obtenir un deuxième point de
coordonnées (Cn2;t2) et ainsi une droite de la forme t = a.Cn + b dont a est le coefficient
directeur et b l’ordonnée à l’origine.
II.2.β.d - Codeur en charge ( QDC ) :
Composé d’un double jeu de 16 entrées marchant par paires ( la 1 ère et la 9 ème , la 2 nde et
la 10 ème , …, la i ème et la ( i+8 ) ème , la 9 ème et la 16 ème ) – le 1 er jeu destiné aux signaux
physiques à intégrer, le 2 nd aux signaux contenant les bornes d’intégration pour ces derniers –,
le QDC utilisé – un 12 bits – travaille en deux temps:
1- Tout d’abord, il intègre le signal incident en u(t). D’où l’obtention, à un
facteur près, de la charge totale du signal :
dq
= RQ
dt
∫ ∫ ∫ ∫ = = =
dq R dt
u (
t)
dt R.
i(
t)
dt R.
.
26

II. Dispositif Expérimental
A cet égard, le facteur R n’est pas gênant car la conversion des
spectres charge - nombre de coups ( Q/nbCp ) en spectres énergie - nombre
de coups ( E/nbCp ) se fait à l’aide d’une source radioactive aux
caractéristiques connues et à laquelle on applique la même intégration
( Cf I.2.δ - Réglage en tension, étalonnage en énergie et détermination des
seuils de détection, p.16 ).
2- Ensuite, il convertit la valeur ainsi obtenue entre 0 et 4095. Si cette dernière
est trop grande, l’entier résultant est 4095.
En ce qui concerne le paramétrage du QDC, la gamme proposée par défaut est de 320
pC.Cn -1 ( i.e. 320 picoCoulombs par canal ) pour les 16 canaux. Mais cette dernière est
ajustable. Pour ce faire, il suffit juste d’ouvrir le tiroir et de changer un ou plusieurs
condensateurs "switchables" à l’intérieur jusqu’à obtenir la capacité d’intégration désirée. On
peut ainsi coder le même signal deux fois sur la même gamme ( en utilisant une même paire
de voies ), l’intérêt étant de pouvoir intégrer ce dernier selon des bornes d’intégration
différentes. Ce qui peut s’avérer très utile… ( Cf I.2.δ - Discrimination électronique n / γ,
p.31 ).
II.2.γ - Électronique logique :
II.2.γ.a - Présentation :
Toute l’électronique logique en physique nucléaire repose sur une norme, la norme
NIM ( Nuclear Instruments and Methods ). Cette dernière présente deux aspects. D’une part
tous les modules NIM possèdent une “charpente” standard ( même taille, même forme, même
alimentation ) ; d’où l’existence de châssis dans lesquels peuvent être encastrés plusieurs
modules rangés les uns à la suite des autres. D’autre part, tous répondent à une dialectique
standard, ne générant ou ne traitant en effet que des signaux binaires, c’est-à-dire, des signaux
ne pouvant prendre que deux états :
- L’état 0, correspondant à une tension nulle ( 0 V )
- Ou l’état 1, correspondant à une tension d’amplitude -800 mV
facilitant ainsi le traitement du signal primaire incident ( analogique, lui ).
II.2.γ.b - Discriminateur à fraction constante :
Plus couramment appelé D.F.C. ( ou C.F.D. pour Constant Fraction Discriminator ),
le rôle de ce tiroir électronique est de convertir un signal analogique ( comme celui en sortie
des détecteurs ) en un signal logique de type NIM. Aussi, afin bien sûr d’éliminer le bruit
électronique environnant mais aussi de permettre de ne pouvoir s’intéresser qu’à des signaux
d’une certaine amplitude, possède-t-il un seuil en tension d’entrée réglable variant de 8mV
à 600mV. En outre, le signal résultant est de durée réglable, la largeur d’impulsion d’un signal
NIM en sortie d’un DFC pouvant varier de 8 à théoriquement 100ns ( en pratique ≈125 ns ).
27

II. Dispositif Expérimental
Signal Analogique Signal Logique NIM
DFC
II.2.γ.c - Générateur de portes :
La fonction de ce module NIM est de générer, à partir de signaux logiques d’une
certaine durée, de nouveaux signaux logiques de durée réglable, qui, s’ils sont envoyés au
QDC, servent de portes intégrantes, les extrémités de ces signaux correspondant alors aux
bornes d’intégration du signal physique à intégrer. Un G.G. ( Gate Generator ) peut ainsi
générer des portes temporelles d’une largeur variant de 10 ns à plusieurs secondes.
II.2.γ.d - Boîte de Coïncidences :
Largeur réglable
Comme son nom l’indique, une C.U. ( Coincidence Unit ) permet de déterminer si
deux ou plusieurs évènements proches dans le temps sont de purs faits du hasard
( coïncidence fortuite ) ou non ( coïncidence vraie ). Contrairement à l’emploi qu’il en est fait
dans la vie courante ( "C’est qu’une coïncidence !" ), le mot "coïncidence" traduit par défaut
en physique l’existence d’une corrélation temporelle entre plusieurs évènements – on ne
précise alors jamais dans ce cas, que la coïncidence dont il est question est vraie ( par
opposition à fortuite ) – Si un premier signal A arrive dans la boîte et que lors de son
interception ( de durée égale à la durée du signal A ) un second signal B arrive, il y aura
coïncidence: les 2 signaux seront temporellement corrélés. Ce qui se traduira par un signal de
sortie S déclenché sur le front descendant du signal B – donc sur son début – avec :
- 10 ns de retard, si l’on utilise la sortie L.O. ( Linear Out ) de la CU ( temps de
traitement de l’information ). La largeur temporelle du signal de sortie S est alors
la même que celle du signal A sauf si celle-ci excède 40 ns. Dans ce cas, sa durée
maximale sera de 40 ns.
- 15 ns de retard, si l’on utilise la sortie Out de la CU ( temps de traitement de
l’information ). La largeur temporelle du signal de sortie S est alors paramétrable
par l’utilisateur. Elle varie de 2 à ≈1200 ns. L’intérêt est de générer directement
des portes sans passer par un Générateur de portes ( GG ). D’où un gain de temps
non négligeable du point de vu de la dégradation du signal physique retardé. En
effet, le transit à travers les divers modules NIM utilisés ( DFC, CU, … ) génère
des portes d’intégration retardées vis-à-vis du signal physique issu du détecteur. Il
est alors nécessaire de retarder artificiellement ce dernier pour pouvoir
correctement l’intégrer par la suite. Cependant ce retard s’accompagne toujours
d’une perte de qualité du signal, et ce, tant au point de vu de son amplitude que de
sa forme.
Dans le cas contraire, si le front descendant du signal B n’arrive pas lors de l’interception
du signal A par la CU, aucun signal résultant ne sera émis: rien ne sortira du tiroir.
0 V
-0.8 V
28

II. Dispositif Expérimental
A A
B B
CU CU
S S
L.O. L.O.
10 ns
Largeur de A
S S
Out Out
15 ns Largeur réglable
Ce qui, outre sa fonction princeps, peut être utile pour stabiliser un signal flottant; ce à
quoi nous avons temporairement eu recours après quelques ennuis avec certains signaux pour
le moins agités. Il est alors impératif de faire arriver le signal stable en second, le signal de
sortie se déclenchant sur ce dernier.
A
B
S
CU
29

II. Dispositif Expérimental
NB: Il est toutefois préférable d’éviter ce procédé pour une question évidente de surcroît de retard,
d’autant plus qu’il ne provient la plupart du temps que d’une voie ou d’un câble défectueux. Aussi, cette
technique n’a pas été utilisée et par voie de fait ne figure pas dans le schéma électronique final car, après un
changement de configuration, ce problème ne s’est pas représenté.
Remarque :
C’est aussi l’emploi de ces boîtes de coïncidences qui légitiment l’utilisation de
DÉCOÏ. En effet, tout photomultiplicateur ( PM ) isolé possède un bruit propre appelé bruit
d’obscurité. Ce dernier traduit le fait que des électrons s’arrachent régulièrement tous seuls de
la photocathode par simple émission thermoionique ( agitation thermique ), et ce, même
quand le PM est non alimenté. Ce qui génère ( après focalisation, accélération et
multiplication de ces électrons ) un signal électrique ( Cf I.2.β - Amplification du signal, p.13 )
et donc implique la détection d’un événement "fictif". Pour un PM neuf, on estime à
5 électrons par centimètres carrés et par secondes ( 5 e - .cm -2 .s -1 ) le nombre d’électrons
arrachés induits par ce Bruit d’Obscurité ( NBdO ). Les photocathodes utilisées sur DÉCOÏ
étant quasi-neuves ( elles n’ont servi auparavant qu’à Bruyères-le-Châtel ) et ayant la forme
d’un disque de rayon d’un pouce ( 2.54 cm ), on obtient un NBdO de l’ordre de 1000 électrons
arrachés par secondes.
2
N = 5⋅
( π ⋅2.
54 ) ≈ 101.
3 e - .s -1
BdO
Ce qui, du point de vue de la physique étudiée est loin d’être négligeable. La source
d’Américium-Béryllium utilisée "crachent" quasi quotidiennement par secondes et sous 4π sr
plusieurs millions de photons gammas et à peu près 22 000 neutrons dont seulement 17 000
ont plus d’1 MeV donc sont détectables – la demi-vie de l’Américium 241 étant de 430 ans –
DÉCOÏ lui, associée à l’électronique logique utilisée ( seuil inhérent au DFC ), ne détecte en
moyenne que 1 800 évènements par secondes ( Nevt ) sous pratiquement 2π sr ( la source étant
"collée" à ce dernier ) – un compteur ayant été utilisé à cet effet – D’où l’obtention d’un "taux
de parasitage" α d’environ 5 %.
N
α =
N
BdO
evt
100 −
= = 5.
5.
10
1800
2
D’où l’intérêt de DÉCOÏ couplé à une boîte de coïncidence, car, en ne gardant que le
signal issu de la coïncidence entre les 2 signaux des 2 PM de DÉCOÏ, ce taux s’écroule à
0.018 %, le nombre d’électrons s’arrachant tous seuls pour finalement venir générer un signal
étant environ divisé par 3 000. En effet, le nombre de coïncidences fortuites ( i.e. le nombre
de coïncidences entre 2 signaux de type bruit d’obscurité, NCF ) satisfait la formule :
N = τ ⋅
CF
2 ⋅ ⋅ Nevt
_ PM 1 Nevt
_ PM 2
Où, τ correspond à la largeur des portes logiques associées aux signaux issus des PM
1 et 2 et générées par un DFC. Les deux PM étant identiques ( mêmes photocathodes, même
nombre de dynodes, même gain, même alimentation ), on obtient :
N = τ ⋅
CF
2
2 ⋅ N evt
Avec N evt = N BdO + N part
où N part est le nombre de particules détectées
30

II. Dispositif Expérimental
D’où, comme en pratique ont été utilisées des portes logiques de 50 ns,
−8
3 2
−1
N CF = 2 ⋅ ( 5.
10 ) ⋅ ( 1.
8.
10 ) = 3.
24.
10 s -1
( i.e. il y a à peu près 39 coïncidences fortuites toutes les 2 minutes )
et d’où,
N
α =
N
CF
evt
=
−1
3. 24.
10
−4
1800
= 1.
8.
10
II.2.γ.e - Module de Coïncidence Rapide :
Pilotant tout le système d’acquisition, ce dernier module NIM en est en fait la pièce
maîtresse. C’est en effet lui qui se charge de dire si oui ou non il accepte un événement
intéressant. Si deux évènements intéressants arrivent l’un à la suite de l’autre presque
simultanément et que les codeurs travaillent encore sur le premier arrivé et commence à
attaquer le second, on ne sait plus trop ce qui est codé, les codeurs, qui de surcroît ne
travaillent pas à la même vitesse ( le TDC étant plus rapide que le QDC ), prenant alors du
retard. Aussi, le MCR attend-t-il que tous les codeurs aient fini leur labeur ( ces derniers lui
envoient alors un signal de fin de codage ) pour de nouveau être apte à accepter un événement
intéressant, faute de quoi, il se bloque; ce qui, aux vues de la durée du traitement de ces
diverses opérations ( de 20 à 140 ns ~ Cf II.2.ε.a - Quelques explications, p.33 ) et de la
physique étudiée, ne génère un temps mort que peu gênant.
Outre cet intérêt premier, il peut aussi servir, comme son nom semble si bien le
suggérer, de boîte de coïncidences, à ceci près qu’il est programmable informatiquement. Si
coïncidences entre un ou plusieurs signaux il y a ( tout est fonction de la programmation
effectuée ), il génère un signal autorisant le codage puis se bloque jusqu’à ce que les codeurs
ainsi activés aient terminé leurs tâches. Sinon, il ne fait rien; aucun signal n’en sort.
II.2.δ - Discrimination électronique n / γ :
Comme il a été précisé dans la partie I ( Cf I.3 - Discrimination n/γ, p.31 ), la
discrimination n/γ repose sur une intégration judicieuse des signaux physiques issus de
DÉMON ( "signaux neutrons" et "signaux gammas" ), et plus précisément sur l’intégration
des composantes totales et lentes associées à ces signaux. Pour ce faire sont utilisés deux
générateurs de portes – un pour générer la porte "totale", l’autre pour générer la porte "lente"
– et une boîte à retard – boîte dans laquelle se trouvent des commutateurs placés sur plusieurs
mètres de câbles afin d’obtenir le retard désiré – , et ce, de manière à ce que le retard imputé à
la porte lente ( retard d’intégration ) additionné à la largeur de cette dernière soit égale à la
taille de la porte totale ( Cf au verso ).
Ainsi, les signaux étant sensiblement de la même largeur, l’intégration du signal total
donne pratiquement la même valeur quelque soit le type de signal auquel on a affaire. En
effet, même s’il est vrai que cette dernière est toujours un peu plus élevée dans le cas d’un
31

II. Dispositif Expérimental
signal induit par un neutron, le surplus engendré reste faible vis-à-vis de celle-ci. La détection
d’un neutron impliquant une valeur d’intégration lente supérieure ( en valeur absolue ) à celle
que l’on obtiendrait lors de la détection d’un photon gamma, le rapport valeur d’intégration
lente sur valeur d’intégration totale est caractéristique de la particule considérée: il est plus
grand ( en valeur absolue ) pour un neutron que pour un gamma.
En pratique, les diverses opérations électroniques effectuées sur le signal physique en
sortie de DÉMON font que ce signal précède les portes d’intégration générées par les deux
générateurs de portes. Aussi, afin d’intégrer correctement ce dernier, s’avère-t-il nécessaire de
le retarder.
Tension du signal recueilli
en sortie de DÉMON
Retard
d’intégration
II.2.ε - Montage Final :
II.2.ε.a - Quelques explications :
"Signal Neutron"
"Signal Gamma"
Temps
32
Porte
Totale
Porte
Lente

II. Dispositif Expérimental
Voici dans les grandes lignes le principe du montage électronique utilisé …
Le signal issu directement des détecteurs est tout d’abord scindé en deux à l’aide d’un
diviseur de tension ( D.T. ) pour d’une part être converti en signal logique NIM – on recourt
pour cela à un DFC – pour d’autre part être intégré tel quel par le biais du QDC si ce n’est
avec un peu de retard, les portes d’intégration étant générées plus tardivement.
Une fois les différents signaux NIM engendrés, les 4 opérations suivantes sont effectuées :
1. Coïncidence entre les 2 PhotoMutiplicateurs de DÉCOÏ. Le premier PM ( PM1 ) est
retardé de 10 ns afin que la boîte de coïncidences reçoivent bien 2 signaux distincts, un
intervalle de temps trop court entre ces derniers ( < 8ns ) ne permettant pas de les
différencier.
2. Coïncidence dans le MCR entre la sortie de la coïncidence des 2 PM de DÉCOÏ et le
signal NIM retardé issu de DÉMON. ( On parlera dorénavant simplement de "DÉMON"
et de "DÉCOÏ" pour respectivement faire allusion au signal NIM en provenance de
DÉMON et au signal NIM issu de la coïncidence entre les 2 PM de DÉCOÏ ). Dès qu’un
signal issu de DÉCOÏ arrive dans le MCR, une porte de 120 ns est générée; les 120 ns
correspondant au temps qu’ont besoin des neutrons de 1,5 MeV ( énergie minimale que
doivent avoir des neutrons pour être détectés ~ Cf III.2.γ.b - Seuil en énergie, p.46 ) pour
parcourir 2 m ( largeur maximale de la table en bois ). En effet,
T = ( γ −1)
⋅ mc²
= mc²
⋅
1
= ⇔
Tn
( 1+
)²
mc²
⇔ v c ⋅ ( 1−
)
(
1
2
v
c²
( 1−
)
t =
c ⋅
−1
)
d
1
Tn
( 1+
)²
mc²
( 1−
)
Toutefois, pour s’assurer que DÉMON tombe bien dans cette porte ( DÉMON doit
toujours arriver après DÉCOÏ, donc en deuxième ), ce dernier est retardé de 20 ns, temps
que prend la coïncidence électronique entre les 2 PM de DÉCOÏ. Aussi, si l’attaque de
DÉMON retardé se fait pendant ces 120 ns, le MCR génère un signal de sortie de 170 ns.
3. Double coïncidence entre la sortie du MCR dédoublée grâce à une boîte FIFO ( Fan-In-
Fan-Out ) – dont le rôle n’est que de retranscrire le plus fidèlement possible un signal
d’entrée en 4 signaux de sortie identiques – et DÉMON d’un côté, DÉCOÏ de l’autre, tous
les deux assujettis au même retard ( 50 ns pour DÉCOÏ, 50+20=70 ns pour DÉMON ), et
ce, afin de garder une information "vraie" sur l’intervalle de temps les séparant.
NB: Tous les signaux NIM en sortie des DFC ont une largeur de 100 ns. Par
conséquent, même si le MCR traite des neutrons de 1,5 MeV ayant parcourus 2 m – ce qui
temporellement prend 120+20=140 ns ( les 20 ns étant à imputer aux diverses opérations
électroniques effectuées par le MCR ) – la coïncidence se fera quand même.
33

II. Dispositif Expérimental
DÉMON
OU
DÉCOÏ
MCR
50 ns 100 ns
( 100 + 50 = 150 )
120+20=140 ns 170 ns
Dans le cas inverse ( pour les neutrons les plus rapides ), pas de problèmes non plus car
le MCR met au minimum ( DÉMON collé à DÉCOÏ ) 20 ns à réagir, c’est-à-dire met au
minimum 20 ns pour générer une porte de 170 ns dans laquelle DÉMON et DÉCOÏ tous
deux retardés de 50 ns ne peuvent que tomber.
4. Attaque des différents codeurs :
- START du TDC et genèse des portes d’intégration de DÉCOÏ grâce à la double
sortie Out de la coïncidence entre le MCR et DÉCOÏ retardé.
- STOP du TDC et genèse des portes d’intégration de DÉMON par le biais de 2
générateurs de portes ( Porte Totale et Porte Lente ) et d’une boîte à retard, la
largeur de la porte totale se devant d’être égale à la largeur de la porte lente et au
retard qu’il faut lui appliquer.
Remarque:
Le translateur NIM_ECL figurant dans le schéma et envoyant toutes les portes
d’intégration au QDC par le biais d’une nappe ( ou tresse ) n’est qu’un intermédiaire servant à
convertir des signaux NIM en signaux ECL ( Emitter Coupled Logic ), le QDC ne
reconnaissant que des signaux logiques de ce format. L’ECL n’est d’ailleurs qu’un standard
voisin du NIM, la seule différence résidant dans le fait que l’état 0 correspond alors à –0.8V et
l’état 1 à –1,6 V; d’où le nom de translateur, car il ne s’agit bien là que d’une translation.
NIM
Translateur
NIM_ECL
ECL
0 V
34
-0.8 V
-1.6 V

II. Dispositif Expérimental
II.2.ε.b - Schéma :
DÉMON
DÉCOÏ
Montage Électronique final
35

II. Dispositif Expérimental
II.3 - Système d’Acquisition :
Le système d’acquisition utilisé au LPC s’organise autour de 2 pôles :
Un ensemble de 2 bus recueillant les données
Une station de travail les traitant
les deux communiquant par le biais du réseau ÉTHERNET.
L’ensemble des 2 bus est formé par :
un bus CAMAC s’occupant des différents codeurs ( QDC et TDC )
un bus V.M.E. ( Versabus Module Eurocard ) sous Lynx O.S. ( Lynx Operating
System ). Ce système d’exploitation utilise principalement 2 programmes: VXCAM,
qui lit les codeurs du bus CAMAC et stocke les données ainsi lues dans un buffer;
S_BUF, qui lui, récupère ces buffers et les envoie sur le réseau.
La station de travail, quant à elle, comprend un PC sous Solaris O.S; ce dernier système
d’expolitation se servant lui aussi essentiellement de 2 programmes: TapeServer, qui recueille
les buffers envoyés par S_BUF sur le réseau puis les traite à la guise de l’utilisateur qui peut
soit les sauvegarder soit s’en débarrasser; Sunsort, qui quant à lui, espionne continûment le
réseau et qui, s’il trouve un buffer de type Acquisition transitant entre S_BUF et TapeServer
le copie et génère ainsi les spectres désirés en "temps réel".
( MCR )
Lecture
Codeurs
( TDC, QDC )
Réseau ÉTHERNET
Bus
V.M.E.
Bus
CAMAC
Station de Travail
36

II. Dispositif Expérimental
II.4 - Vue d’ensemble :
Électronique
Logique
Repose-source
Châssis
Bus V.M.E.
DÉCOÏ
Châssis
Bus CAMAC
( Codeurs )
Station de
travail
DÉMON
37

II. Dispositif Expérimental
38

III. Saisie et Analyse des données 39
III - Saisie et Analyse des données
III.1 - Saisie des données :
La marche à suivre dès lors que l’on veut débuter une nouvelle session de mesures est
la suivante :
1. Sortir la source de neutrons du château de plomb et la placer sur le repose-source
juste derrière DÉCOÏ .
2. Placer le détecteur DÉMON à la distance désirée.
3. Lancer l’Acquisition à partir de la station de travail.
4. S’assurer par visualisation directe à l’écran que la gamme du TDC choisie est
correcte ( auquel cas il suffit d’en changer ) puis jouer sur le retard imputé au
STOP du TDC de telle façon à ce que le pic gamma soit le plus près possible de
l’origine. On obtient ainsi un spectre étendu au maximum.
5. Créer un nom de sauvegarde pour ces différents spectres et relancer l’acquisition.
III.2 - Analyse des données :
III.2.α - Présentation :
Les seuls évènements "intéressants" étant ceux rattachés aux neutrons, leurs sélections
se fait informatiquement à l’aide du logiciel d’analyse PAW ( Physics Analysis Workstation ).
Pour ce faire, on utilise la discrimination n / γ obtenue en fin de mesures en la traitant
grossièrement de la sorte :

III. Saisie et Analyse des données 40
SC1
SC
D’où, après quelques étapes calculatoires, on arrive à remonter à l’énergie incidente
des neutrons émis par la source et ainsi obtenir une courbe d’efficacité pour le dispositif.
Toutefois, compte tenu des problèmes survenus sur le QDC au beau milieu des
manipulations, aucun traitement de la sorte n’a pu voir le jour. Seuls des résultats théoriques
et quelques spectres en temps de vol ont pu être établis.
III.2.β - Attentes théoriques :
La seule information que peut nous apporter le calcul concerne l’incertitude que l’on
fait sur la détermination de l’énergie cinétique des neutrons déjà diffusés, cette dernière
dépendant des incertitudes sur leurs temps de vol et leurs distances de vol. En aucun cas donc,
cette partie n’est source de renseignements sur l’objectif princeps recherché, à savoir,
l’efficacité totale du dispositif, que seules l’expérimentation ( et les simulations ) peuvent
fournir.
III.2.β.a - Principe :
Comme l’a précisé la première partie ( Cf I.1 Principe Général, p.9 ), le processus de
détection repose sur une double diffusion :
1. Tout d’abord, le neutron émis par la source rentre en collision avec un proton issu de
DÉCOÏ: il est alors diffusé une première fois.
Neutron émis Proton de recul Neutron diffusé
par la source dans DÉCOÏ
T p
DEC
n
TC1
SC = TC
SC = α TC + SC1
AVANT
COLLISION
Banane Neutrons
Banane Gammas
TC
IF ( ( TC >= TC1) AND ( SC >= α TC + SC1 ) )
THEN " pour chaque événement ", sortir
T = 0
( Proton au repos ) Proton diffusé
'
T p
APRÈS
COLLISION
'
T n
- Temps de vol →
- Énergie PM 1 DÉCOÏ → T
'
- Énergie PM 2 DÉCOÏ → T
DEC
T
'
P DEC1
P DEC 2
'
n
→
T
'
P
DEC

III. Saisie et Analyse des données 41
2. Puis ce même neutron ( une fois diffusé ) rentre de nouveau en collision avec un proton
mais cette fois-ci avec un proton issu de DÉMON: il est diffusé une seconde fois.
Neutron diffusé
''
Neutron diffusé Proton de recul
T n
dans DÉCOÏ dans DÉMON
θ
φ
'
T n
T p = 0
DEM
( Proton au repos ) Proton diffusé
'
T p
Cette collision étant élastique, elle implique conservation de l’énergie cinétique :
' ''
'
T n = T n + T p . De plus, comme dans toute collision, la conservation de la quantité de
DEM
mouvement y est vérifiée, soit en projetant sur les axes :
Et d’où, comme
'
pn x
' ''
'
= pn
= pnCosθ
+ p P Cosϕ
Cosϕ
=
DEM
'
pn
''
− pnCosθ
'
p PDEM
'
p n
y = 0 =
''
''
'
pn
pn Sinθ
− p P Sinϕ
Sinϕ
= DEM
'
p
⋅ Sinθ
2 2 2
p PDEM n n n n
2
2
'
' ''
' ''
Or, Cos ϕ + Sin ϕ = 1 donc = p + p − 2 p p Cosθ
( mn ≈ p
' ''
T n = T n +
m ) = m
'
T p
DEM
PDEM
2 2 2 4 2 2
2
2
= ( mc + T ) = m c p c p = ⋅ ( 2 mc + T )
2
E +
'
TPDEM = T
'
n
⋅
2mc
2
+ T
n
( )
2
2mc
+ T 2
Sin θ
'
'
n
T
2
c
DEM

III. Saisie et Analyse des données 42
Où mc², de par l’approximation faite ci-dessus sur les masses: ( mn ≈ m p ) = m
correspond à l’énergie de masse moyenne d’un nucléon c’est-à-dire à la moyenne des énergies
de masse d’un proton et d’un neutron :
mc
2
m pc
=
2
+ mn
c
2
2
938.
25 + 939.
55
=
=
2
938.
90
MeV
Toutefois pour pouvoir détecter le proton de recul dans DÉMON, il faut que ce dernier
'
ait au minimum une énergie T P de 50 keV/éqE ( Cf I.2.δ - Réglage en tension, étalonnage
min
en énergie et détermination des seuils de détection, p.16 ). Ce qui se traduit par l’inégalité
suivante:
T
'
n
⋅
T ≥
'
PDEM
2 '
2mc
+ T
2
2mc
+ T 2
Sin θ
n
( )
'
n
≥
θ
2
Sin ≥
La fonction
"derrière" DÉCOÏ ), cette inégalité revient à dire que :
T
'
n
⋅
T
T
'
P min
'
P min
2
2mc
2
2mc
+ T
'
T
n ( −1
)
2
Sin étant strictement croissante sur [ 0 ; π/2 ] ( DÉMON restera toujours
2
Sin θ MAX
=
T
'
n
⋅
2mc
2mc
T
2
n
( − 1 )
Où θ MAX correspond à l’angle maximum que peut faire un neutron diffusé une première
fois dans le plan médian de DÉCOÏ ( pour des raisons de symétrie ) et une deuxième fois dans
DÉMON ( Cf figure ci-contre )
Or,
PH l
Sinθ
= =
⇒
MAX
OP d ² + l²
MAX
'
p
2
+ T
min
'
2
Sin θ
p
MAX
min
=
d
'
MAX
l²
² + l²

III. Saisie et Analyse des données 43
Où d représente donc la distance limite au-delà de laquelle un neutron d’énergie
MAX
cinétique donnée ne sera plus détectable car alors il n’aura plus assez d’énergie pour fournir
les 50 keV/éqE nécessaire au recul du proton dans DÉMON. Aussi, pour pouvoir détecter des
neutrons animés d’une énergie cinétique bien précise, faut-il absolument que la distance
séparant les deux milieux scintillants soit inférieure de d . MAX
DÉCOÏ DÉMON
θMAX l
O H
dMAX
Scintillateur Scintillateur
Plastique Liquide
Support
D’où, comme
d
MAX
= l ⋅
(
2
Sin θ MAX
l = 8cm,
Soit, comme 2mc² = 1877.8 MeV
'
T = 50 keV = 0.05 MeV
P
min
T
n
⋅
=
T
'
n
⋅
P
2mc²
+ T
'
T
2mc
2mc
T
n
( − 1 )
P
min
2mc²
2
2
+ T
n
( − 1 )
d MAX
'
P min
'
) − 1
1877.
8 + T
Tn
⋅
= 8 ⋅ (
−
1877.
8
n
( −1
)
0.
05 ) 1

III. Saisie et Analyse des données 44
III.2.β.b - Résultats :
Les résultats exposés dans les tableaux suivants faisant appel à des notations
spécifiques, ces dernières sont explicitées ci-dessous
lDEC dMAX lDEM
dmes
LMAX
3.1 cm 3.6 cm
= Bords DÉMON ( 2.9 cm )
= Bords support DÉCOÏ ( 2.8 cm ) + Plaque protectrice de PVC ( 0.2 cm )
+ Épaisseur de plastique et de ruban adhésif + Plaque de Plomb ( 0.5 cm )
protégeant DÉCOÏ ( 0.3 cm )
lDEC = Distance de vol moyenne du neutron diffusé dans DÉCOÏ
lDEM = Distance de vol moyenne du neutron diffusé dans DÉMON
LMAX = Distance de vol "moyenne" du neutron diffusé entre les deux collisions
successives. Par conséquent :
LMAX = lDEC + dMAX + lDEM
Pour des raisons de facilité de mesures est aussi apparue la nécessité de travailler avec
une nouvelle variable dmes, de telle sorte que cette dernière s’exprime ainsi :
dmes = dMAX – ( 3.1 + 3.6 ) = dMAX – 6.7
Cependant, comme toutes mesures, ces grandeurs sont sources d’incertitudes.
L’incertitude liée à dMAX se partage entre une incertitude d’étalonnage – placement des bandes
de ruban adhésif ( 1 mm ) et mesure des valeurs numériques inscrites sous la figure ci-dessus
( bords des détecteurs, protections diverses ~ 2.5 mm ) – et une incertitude de lecture –
placement des détecteurs sur ces mêmes bandes ( 1.5 mm ). Soit une incertitude absolue
estimée à 5 mm pour dMAX et donc à 5 mm également pour dmes.

III. Saisie et Analyse des données 45
T’n
( MeV )
εDEM ± ∆εDEM ( ∆εDEM / εDEM )
( % )
lDEC ± ∆lDEC ( ∆lDEC / lDEC )
( cm )
lDEM ± ∆lDEM ( ∆lDEM / lDEM )
( cm )
2 0.8 ± 5.0 ( 625.0 % ) 2.5 ± 2.5 ( 100 % ) 9.99 ± 0.08 ( 0.84 % )
5 55.0 ± 5.0 ( 9.1 % ) 2.5 ± 2.5 ( 100 % ) 8.68 ± 0.18 ( 2.07 % )
8 48.0 ± 5.0 ( 10.4 % ) 2.5 ± 2.5 ( 100 % ) 8.92 ± 0.16 ( 1.76 % )
10 47.0 ± 5.0 ( 10.6 % ) 2.5 ± 2.5 ( 100 % ) 8.95 ± 0.15 ( 1.72 % )
12 44.0 ± 5.0 ( 11.4 % ) 2.5 ± 2.5 ( 100 % ) 9.04 ± 0.15 ( 1.62 % )
15 42.0 ± 5.0 ( 11.9 % ) 2.5 ± 2.5 ( 100 % ) 9.10 ± 0.14 ( 1.56 % )
18 44.0 ± 5.0 ( 11.4 % ) 2.5 ± 2.5 ( 100 % ) 9.04 ± 0.15 ( 1.62 % )
20 44.5 ± 5.0 ( 11.2 % ) 2.5 ± 2.5 ( 100 % ) 9.02 ± 0.15 ( 1.64 % )
25 44.0 ± 5.0 ( 11.4 % ) 2.5 ± 2.5 ( 100 % ) 9.04 ± 0.15 ( 1.62 % )
30 42.5 ± 5.0 ( 11.8 % ) 2.5 ± 2.5 ( 100 % ) 9.08 ± 0.14 ( 1.57 % )
50 35.0 ± 5.0 ( 14.3 % ) 2.5 ± 2.5 ( 100 % ) 9.28 ± 0.13 ( 1.37 % )
75 28.0 ± 5.0 ( 17.9 % ) 2.5 ± 2.5 ( 100 % ) 9.45 ± 0.12 ( 1.22 % )
100 27.0 ± 5.0 ( 18.6 % ) 2.5 ± 2.5 ( 100 % ) 9.48 ± 0.11 ( 1.20 % )
200 24.5 ± 5.0 ( 20.4 % ) 2.5 ± 2.5 ( 100 % ) 9.53 ± 0.11 ( 1.15 % )
500 24.5 ± 5.0 ( 20.4 % ) 2.5 ± 2.5 ( 100 % ) 9.53 ± 0.11 ( 1.15 % )
1000 24.5 ± 5.0 ( 20.4 % ) 2.5 ± 2.5 ( 100 % ) 9.53 ± 0.11 ( 1.15 % )
Avec, ● εDEM , l’efficacité intrinsèque de DÉMON ( i.e. son efficacité propre ) ~ ∆ε = 5%
( Cf au verso: les différents sigles correspondant aux différents bancs de
mesures effectués sur DÉMON; la courbe, au code théorique auquel
généralement on se réfère )
● Par définition, ( Cf Bibliographie, p.63 [F.R. Lecolley] )
l DEM
∆ = l
l DEM
ε − 1 1
ε − 1 1
= l ( ) − ( ) = 20 ( ) − ( )
0
ε ln( 1 − ε ) ε ln( 1 − ε )
0
⎡
⎢
⎢
⋅ ⎢
⎢
⎢
⎣
⎤
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎡
⎢
⎢
⋅ ⎢
⎢
⎢
⎣
où lo est la profondeur de la cellule ( l = 20 ± 0 cm )
1
1
1
1
⋅ ( ) − (
) ⋅ ∆ε
= ( ) − (
)
ε ² ( 1 − ε ) ⋅[ln(
1 − ε )]² ε ² ( 1 − ε ) ⋅[ln(
1 − ε )]²
Où lDEM n’est qu’une approximation statistique du lieu de l’impact dans DÉMON.
O
⎤
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦

III. Saisie et Analyse des données 46
Efficacité intrinsèque de DÉMON

III. Saisie et Analyse des données 47
T’n
( MeV )
dMAX ± ∆dMAX ( ∆dMAX / dMAX )
( cm )
dmes ± ∆dmes ( ∆dmes / dmes )
( cm )
LMAX ± ∆LMAX ( ∆LMAX / LMAX )
( cm )
2 49.99 ± 0.50 ( 1.00 % ) 43.29 ± 0.50 ( 1.16 % ) 62.47 ± 2.55 ( 4.08 % )
5 79.70 ± 0.50 ( 0.63 % ) 73.00 ± 0.50 ( 0.68 % ) 90.89 ± 2.55 ( 2.81 % )
8 101.10 ± 0.50 ( 0.49 % ) 94.40 ± 0.50 ( 0.53 % ) 112.51 ± 2.55 ( 2.27 % )
10 113.15 ± 0.50 ( 0.44 % ) 106.45 ± 0.50 ( 0.47 % ) 124.60 ± 2.55 ( 2.05 % )
12 124.07 ± 0.50 ( 0.40 % ) 117.37 ± 0.50 ( 0.43 % ) 135.61 ± 2.55 ( 1.88 % )
15 138.88 ± 0.50 ( 0.36 % ) 132.18 ± 0.50 ( 0.38 % ) 150.48 ± 2.55 ( 1.70 % )
18 152.30 ± 0.50 ( 0.33 % ) 145.60 ± 0.50 ( 0.34 % ) 163.84 ± 2.55 ( 1.56 % )
20 160.65 ± 0.50 ( 0.31 % ) 153.95 ± 0.50 ( 0.32 % ) 172.17 ± 2.55 ( 1.48 % )
25 179.90 ± 0.50 ( 0.28 % ) 173.20 ± 0.50 ( 0.29 % ) 191.43 ± 2.55 ( 1.33 % )
30 197.35 ± 0.50 ( 0.25 % ) 190.65 ± 0.50 ( 0.26 % ) 208.94 ± 2.55 ( 1.22 % )
50 256.20 ± 0.50 ( 0.20 % ) 249.50 ± 0.50 ( 0.20 % ) 267.98 ± 2.55 ( 0.95 % )
75 315.86 ± 0.50 ( 0.16 % ) 309.16 ± 0.50 ( 0.16 % ) 327.81 ± 2.55 ( 0.78 % )
100 367.08 ± 0.50 ( 0.14 % ) 360.38 ± 0.50 ( 0.14 % ) 379.06 ± 2.55 ( 0.67 % )
200 532.16 ± 0.50 ( 0.09 % ) 525.46 ± 0.50 ( 0.10 % ) 544.19 ± 2.55 ( 0.47 % )
500 900.18 ± 0.50 ( 0.06 % ) 893.48 ± 0.50 ( 0.06 % ) 912.22 ± 2.55 ( 0.28 % )
1000 1400.55 ± 0.50 ( 0.04 % ) 1393.85 ± 0.50 ( 0.04 % ) 1412.59 ± 2.55 ( 0.18 % )
1877.
8 + Tn
Tn
⋅ ( − 1 )
Avec, ● d = 8 ⋅ ( 0.
05 ) − 1 & ∆d = 0.
5 cm
MAX
MAX
1877.
8
● d d − 6.
7
& d = 0.
5 cm
mes
= MAX
∆ mes
● L = 2 . 5 + d + l
& ∆ L = 6. 5 + ∆l
²
MAX
MAX DEM
MAX
DEM
En effet, L = l + d + l
MAX DEC MAX DEM
et ∆ L = ∆l
² + ∆d
² + ∆l
² ( Ecart-type )
MAX
DEM
MAX
DEM
∆ L = 2. 5²
+ 0.
5²
+ ∆l
²
MAX
DEM
∆
L = 6. 5 + ∆l
²
MAX
DEM

III. Saisie et Analyse des données 48
T’n
( MeV )
t ± ∆t ( ∆t / t )
( ns )
v ± ∆v ( ∆v / v )
( m.s -1 )
T’n ± ∆T’n
( MeV )
∆T’n / T’n
( % )
2 31.99 ± 1 ( 3.17 % ) 1.95 ± 0.14 ( 7.21 % ) 2.00 ± 0.29 14.46 %
5 29.50 ± 1 ( 3.39 % ) 3.08 ± 0.19 ( 6.20 % ) 5.00 ± 0.63 12.50 %
8 28.94 ± 1 ( 3.46 % ) 3.89 ± 0.22 ( 5.73 % ) 8.00 ± 0.93 11.60 %
10 28.71 ± 1 ( 3.48 % ) 4.34 ± 0.24 ( 5.53 % ) 10.00 ± 1.12 11.24 %
12 28.57 ± 1 ( 3.50 % ) 4.75 ± 0.26 ( 5.38 % ) 12.00 ± 1.32 10.97 %
15 28.43 ± 1 ( 3.52 % ) 5.29 ± 0.28 ( 5.21 % ) 15.00 ± 1.60 10.68 %
18 28.32 ± 1 ( 3.53 % ) 5.79 ± 0.29 ( 5.09 % ) 18.00 ± 1.89 10.47 %
20 28.28 ± 1 ( 3.54 % ) 6.09 ± 0.31 ( 5.02 % ) 20.00 ± 2.07 10.36 %
25 28.23 ± 1 ( 3.54 % ) 6.78 ± 0.33 ( 4.88 % ) 25.00 ± 2.54 10.15 %
30 28.24 ± 1 ( 3.54 % ) 7.40 ± 0.35 ( 4.76 % ) 30.00 ± 3.00 9.99 %
50 28.48 ± 1 ( 3.51 % ) 9.41 ± 0.42 ( 4.46 % ) 50.00 ± 4.83 9.65 %
75 28.98 ± 1 ( 3.45 % ) 11.31 ± 0.48 ( 4.23 % ) 75.00 ± 7.12 9.50 %
100 29.55 ± 1 ( 3.38 % ) 12.83 ± 0.52 ( 4.06 % ) 100.00 ± 9.46 9.46 %
200 32.08 ± 1 ( 3.12 % ) 16.96 ± 0.61 ( 3.59 % ) 200.00 ± 19.25 9.63 %
500 40.16 ± 1 ( 2.49 % ) 22.71 ± 0.63 ( 2.77 % ) 500.00 ± 53.73 10.75 %
1000 53.86 ± 1 ( 1.86 % ) 26.23 ± 0.53 ( 2.04 % ) 1000.00 ± 128.88 12.89 %
Avec, ●
LMAX
t = & ∆t = 1 ns
v
1
Tn
( 1+
)²
939.
55
MAX
● v = c ⋅ ( −
) & ∆ v = v ⋅ ( + )
Tn n
1 '
m c²
v
c²
( 1 − v²
)
c²
∆L
L
'
● ∆ = ⋅ ( ) ⋅ ∆ = ⋅ ( ) ⋅ ∆v
3 / 2
v
939.
55
MAX
∆t
t
v
c²
( 1 − v²
)
c²
3 / 2
'
Car, ( ² −1/
2
= ( − 1)
⋅ m c²
= ⋅m
c²
⋅ ( 1 − v ) − 1 )
Tn γ
n n
III.2.γ - Résultats expérimentaux :
N’ayant pu remédier aux avatars du QDC à temps, il a été impossible de déterminer
l’efficacité du dispositif. Néanmoins, des mesures de résolution énergétique et de seuil en
énergie ont pu être effectuées.
c²
( Cf II.2.γ - Résultats
expérimentaux, ci-contre )

III. Saisie et Analyse des données 49
III.2.γ.a - Résolution en énergie :
Une des méthodes pour obtenir la résolution en énergie du dispositif étudié est la
détermination graphique de la largeur moyenne du pic gamma sur les spectres en temps de
vol. En effet, les photons étant tous animés de la même vitesse vγ=c (c = 29.9792458 cm.ns -1 ),
on ne devrait observer qu’un "trait" sur ces spectres. Or, du fait de l’incertitude concernant la
localisation des collisions entre photons gammas et électrons, ce pic normalement infiniment
fin s’élargit. Et c’est la largeur à mi-hauteur de ce pic, qui, pour des raisons de mathématiques
statistiques, se veut une estimation, non pas de la résolution en énergie du dispositif mais, de
la résolution en temps sur DÉMON, car, une fois encore, ne sont concernés que les neutrons
déjà diffusés dans DÉCOÏ… En conséquence, aucune information sur la résolution en énergie
de la totalité du dispositif n’est disponible. Seule la résolution sur l’énergie des neutrons
"secondaires" est accessible, ce qui, aux vues des dimensions de DÉCOÏ, ne peut poser des
problèmes que sur de courtes distances de vol.
Nombre de
coups
∆t = 1 ns
Pic Gamma
Spectre en temps de vol des neutrons secondaires
( Source utilisée: AmBe, dmes= … cm )
Pour toutefois revenir à la résolution temporelle ( partielle ) de ce dispositif, une
moyenne de 1ns pour la largeur du pic gamma à mi-hauteur a été calculée à partir de plusieurs
spectres en temps de vol. Il ne restait alors plus qu’à appliquer les formules énoncées dans les
"Attentes théoriques" pour obtenir la résolution énergétique ( partielle ) de cet ensemble de
détection, à savoir :
v
∆ T = mc² ⋅ ( c²
) ⋅ ∆v
= 939 . 55 ⋅ (
− v²
3 / 2
( 1 )
c²
d
tc²
d
tc
2 ( 1 − ( ) )
3 / 2
"Pic" neutrons
Canal
~
Temps de vol des
neutrons secondaires
~
Energie des neutrons
secondaires
∆L
L
t
t
) ⋅ [ v ⋅ ( + ) ]
MAX ∆
MAX

III. Saisie et Analyse des données 50
Car,
v
L
t
∆v
v
∆L
L
∆t
t
MAX
MAX
= ⇒ = ( + )
Aussi, après reprise de tous les spectres en temps de vol un par un et calcul de la
moyenne de tous les ∆T obtenus dans chaque cas, arrive-t-on à une résolution énergétique
( partielle ) moyenne de 1 MeV.
III.2.γ.b - Seuil en énergie :
Une fois encore, une étude graphique des différents spectres en temps de vol obtenus
permet de déterminer le seuil en énergie moyen de l’ensemble de détection, i.e. la limite
énergétique au delà de laquelle les neutrons, se fondant alors dans le bruit, ne sont plus
détectables. Cet examen réside dans la lecture des extrémités du "pic" neutron observé et plus
précisément dans la lecture de l’extrémité correspondant aux neutrons les plus lents, lecture
rendue difficile par la mauvaise différenciation entre neutrons provenant de la source et bruit
de fond.
Nombre de
Coups
Neutrons les plus
rapides
Bruit
Spectre en temps de vol des neutrons secondaires
( Source utilisée: AmBe, dmes= … cm )
De la même manière que pour la résolution en énergie, une moyenne a été opérée à
partir de plusieurs spectres en temps de vol. Il en résulte un seuil en énergie moyen de
1,5 MeV pour l’ensemble du dispositif. Toutefois, ce seuil en énergie n’est pas le seuil en
énergie du dispositif, le seuil « réel » étant donné par la discrimination n/γ ( Cf I.3 -
Discrimination n/γ, p.19 ).
MAX
Neutrons les plus
lents
Canal
~
Temps de vol des
neutrons secondaires
~
Energie des neutrons
secondaires

III. Saisie et Analyse des données 51
III.2.γ.c - Efficacité :
Comme il a déjà été précisé, les ennuis causés par le QDC n’ont permis d’accéder à
aucune information concernant l’efficacité du dispositif. Toutefois, une estimation grossière
est envisageable. L’efficacité neutronique de DÉMON variant de 24.5 % à 55 %, celle de
DÉCOÏ avoisinant les 1 %, l’efficacité totale devrait donc se situer entre 0.2 et 0.6 %.
Il ne semble pas non plus inintéressant de décrire la procédure qui, en temps normal,
permet de déterminer cette dernière… Une fois toutes les mesures effectuées, on construit un
graphique représentant le nombre de coups en fonction de l’énergie cinétique des neutrons
incidents. En comparant ce dernier à celui que l’on obtiendrait avec un ensemble de détection
d’une efficacité de 100% à la même distance, donc avec le même angle solide ( la source de
neutrons étant parfaitement connue ), on en tire l’efficacité du dispositif, qui n’est que le
rapport de la courbe expérimentale sur la courbe "idéale".
Nombre de coups
100
( 1-2 )
Efficacité
( % )
0.6
( 1-2 )
( 15-20 )
Rapport des
deux courbes
( 15-20 )
Courbe d’efficacité hypothétique obtenue
pour le dispositif
Courbe Expérimentale
Courbe Idéale
Tn
( MeV )
Tn
( MeV )

III. Saisie et Analyse des données 52
Néanmoins faut-il encore s’assurer de la compatibilité des unités associées aux
courbes expérimentales et idéales avant de les diviser. La courbe idéale étant en MeV, la
courbe expérimentale se doit donc aussi d’être en MeV. Or, cette dernière traduit l’égalité :
' '
'
'
T n = Tn
+ TP
où T DEC n est calculée par mesure du temps de vol donc en MeV mais où T P , à
DEC
cause de l’étalonnage en énergie effectué à l’aide des sources de Na et de Cs ( Cf I.2.δ -
Réglage en tension, étalonnage en énergie et détermination des seuils des détection, p.16 ) ,
'
'
est exprimé en MeV/éqE. Aussi, avant toute sommation de T n et de T P , est-il nécessaire de
DEC
convertir toutes les valeurs de '
T P obtenues en MeV/éqE en MeV/éqP, les MeV/éqP
DEC
correspondant aux MeV pour les neutrons. La relation entre MeV/éqE et MeV/éqP n’étant pas
linéaire et dépendant du type de scintillateur employé, on utilise pour ce faire le graphique cidessous,
graphique obtenu à partir de la documentation technique Bicron concernant le
BC 400 ( DÉCOÏ ) :
Aussi, une fois tout le travail de conversion effectué, ne reste-t-il plus qu’à procéder
comme il a été décrit plus haut …

III. Saisie et Analyse des données 53
III.2.δ - Simulation :
Aux vues de l’incertitude relative des positions de collision neutron/proton dans
DÉCOÏ ( 100 % ! ) et du manque d’informations théoriques le concernant, une simulation
GEANT ( GEOmetry ANd Tracking ) est prévue afin d’obtenir, et ce, de manière statistique,
une plus grande précision sur cette mesure. Une seconde simulation GEANT est aussi
envisagée pour DÉMON car afficher des résultats de la forme lDÉM = 8.68 ± 0.18 cm ( d’où
une incertitude relative de 2,07 % ) pour des neutrons incidents possédant une énergie
cinétique de 5 MeV alors que la résolution temporelle ( 1 ns ) implique une résolution en
distance totale d’à peu prés 3.1 cm, prête à sourire.
v
1
= c ⋅ ( 1 −
) ⇔ d = ct ⋅ ( 1 −
)
Tn
( 1 + )²
mc²
1
Tn
( 1 + )²
mc²
Enfin, une dernière simulation est programmée pour le dispositif tout entier ( DÉCOÏ
+ DÉMON ) car toutes les mesures effectuées ne concernent qu’un seul axe ( celui qui est
parallèle aux génératrices du cylindre formé par DÉMON ). Or, les collisions peuvent avoir
lieu un peu partout dans les détecteurs, même si statistiquement certains endroits sont plus
privilégiés que d’autres. Pour DÉCOÏ par exemple, notre mesure impliquerait une localisation
des collisions dans une sphère d’un rayon 2.5 cm centrée au milieu du détecteur ( en
pointillés ci-dessous ), ce qui, statistiquement, semble plausible vu l’emplacement de la
source mais reste à vérifier.
15 cm
5 cm
9 cm

III. Saisie et Analyse des données 54

Conclusion 55
CONCLUSION
Bien qu’il soit très regrettable que plusieurs incidents techniques ( problèmes avec le
QDC, l’acquisition, … ) aient totalement occulté toutes mesures expérimentales complètes, il
semblerait, et ce, sur un plan théorique seulement, que ce dispositif, au regard de la
configuration géométrique employée, puisse s’avérer "efficace". Néanmoins, sa validation
effective est laissée au soin de nouveaux essais, car, si théoriquement l’incertitude relative
obtenue sur l’énergie cinétique des neutrons incidents laisse présager une efficacité correcte –
cette dernière se situant entre 7 et 12 % − expérimentalement, il est certain que tous les
neutrons possédant une même énergie cinétique ne peuvent en aucune manière être détectés
dans DÉMON à une certaine distance "d" à plus ou moins 1mm ! Il est de même envisagé une
simulation GÉANT pour pallier le manque d’information concernant le scintillateur plastique
utilisé dans DÉCOÏ, une incertitude relative de 100% sur la position de diffusion des neutrons
dans ce dernier, et ce, quelque soit leur énergie, laissant également à désirer.
Toutefois, l’étalonnage en énergie de DÉCOÏ et de DÉMON et le montage de
plusieurs spectres en temps de vol ont tout de même permis de déterminer non seulement des
seuils de détection de l’ordre de 50 keV/éqE soit à peu près 500 keV/éqP pour DÉCOÏ mais
aussi la valeur d’une des trois grandeurs recherchées :
- la résolution énergétique ( partielle ), estimée à 1 MeV
Ce qui, traduisant un rapport signal sur bruit quasi optimale, reste très convenable pour
ce type de détection.
Il reste ainsi toute une série de mesures à effectuer et analyser pour déterminer les
valeurs des deux grandeurs restantes qui sont d’une part le seuil de discrimination lié à
DÉMON i.e. le seuil en énergie de détection des neutrons pour le dispositif entier, d’autre
part, bien sûr, l’efficacité totale de cet ensemble de détection basse énergie afin d’apprécier
son potentiel, et ce, tant en termes de performances qu’en termes de coûts humains et
financiers; l’objectif final étant de couvrir avec le dispositif de détection haute énergie –
CLODIA associé à SCANDAL – l’ensemble de la gamme énergétique désirée, à savoir une
gamme s’étendant sur à peu près 200 MeV et variant de 1 à 200 MeV.

Conclusion 55

Annexe I 57
ANNEXE I
Interactions photons / matière
L’interaction des photons dans la matière se réalise sous 3 formes :
1. L’effet Compton
2. L’effet photoélectrique
3. La création de paires
Aussi, suite à l’étude de ces 3 formes d’interaction, seront présentés les domaines de
prédominance de chacun de ces effets les uns par rapport aux autres.
1. Effet Compton :
Découvert en 1923 par Arthur Compton ( Wooster, Ohio, 1892 ~ Berkeley, 1962 ), cet
effet, observé suite à une étude du comportement des rayons X sur le graphite, se traduit par
la diffusion et l’augmentation de la longueur d’onde des photons incidents. Il ne consiste
cependant qu’en une diffusion élastique de ces derniers sur les électrons libres de la matière.
Soit ( Eγ ν h = ), l’énergie du photon incident ( l’indice γ n’est à ce titre qu’un abus de
langage, les photons considérés n’étant pas forcément d’origine nucléaire ),
Photon
γ E T e = 0
AVANT
COLLISION
Electron
( Electron au repos )
φ
θ
Photon diffusé
E
'
γ
APRÈS
COLLISION
Electron diffusé
T
'
e

Annexe I 58
Cette collision étant élastique, elle implique conservation de l’énergie totale :
'
E E + T
'
. D’où l’accroissement de la longueur d’onde des photons incidents car
γ = γ
e
c
E = hν
= h ( ) . Comme E diminue, λ augmente. De plus, comme dans toute collision, la
λ
conservation de la quantité de mouvement y est vérifiée, soit en projetant sur les axes :
Et d’où, comme
'
p
'
'
γ pγ
Cosθ
= pγ
= pγ
Cosθ
+ p ϕ
Cosϕ
'
p
−
=
pγ eCos
x
'
'
'
pγ
= 0 = pγ
Sinθ
− p ϕ
Sinϕ
= ⋅ Sinθ
'
p
pγ eSin
y
2
2
Or, Cos ϕ + Sin ϕ = 1 donc
'
p = ( − p Cosθ
) +
2 2 4 2 2 2 2
Eγ = mγ
c + pγ
c = pγ
c ⇒ Eγ = pγ
c ⇔
' 2
e
2
'
p γ γ
( γ θ ) Sin p
e
Eγ
pγ
c
=
2 ' 2 2
= ( m c + T ) − m c
'2
2 4 '2
2
'2
2
Ee = me
c + pe
c ⇔ pe c
' '
' '
E γ = Eγ
+ Te
⇔ Eγ = Eγ
− Te
'2
2 4
= Ee
− me
c e e e
T
'
e
2
Eγ
⋅
=
m c²
+
e
( 1−
Cosθ
)
E ( 1−
Cosθ
)
γ
Cette dépendance angulaire se traduit graphiquement par l’obtention de plateaux – à
juste titre appelés plateaux Compton – et dont le rebord correspondant à l’énergie la plus
grande ( le rebord droit généralement ) connaît une excroissance due au fait que,
probabilistisquement, pour des histoires de sections efficaces, les transferts d’énergie entre
photons et électrons ont tendance à être maximaux :
2Eγ 2
'
'
T e = T ( θ = π )
MAX e =
m c²
+ 2E
e
γ
=
2Eγ 2
0.
511+
2E
γ
e
( en MeV )
4
2

Annexe I 59
Ce qui correspond à une collision au cours de laquelle l’électron est diffusé suivant la
direction et le sens du photon incident, ce dernier rebroussant chemin :
Photon incident
γ E T e = 0
En outre, pour des questions de résolution de détection, il est généralement admis que
le maximum énergétique "réel" se situe graphiquement sur le front descendant du rebord du
plateau Compton, et ce, de telle sorte que l’ordonnée de ce dernier soit égale à 60% du
nombre de coups total contenu dans ce "pic Compton" :
" Spectre Compton "
théorique
" Spectre Compton "
expérimental
Electron
Nombre de
coups
Nombre de
coups
Plateau Compton
Photon
diffusé
'
E γ
EMAX
EMAX
0.6 h
Electron diffusé
h
'
T e
Seuls les électrons ( car ils sont chargés ) peuvent
être détectés. Pour se rapporter à l’énergie ( maximum )
des photons incidents, il suffit alors de se servir de la
formule ci-contre "dans l’autre sens".
" Pic Compton "
Energie cinétique des
électrons diffusés
( T’e en keV/éqE )
Bruit de Fond
Energie cinétique des
électrons diffusés
( T’e en keV/éqE )

Annexe I 60
2. Effet photoélectrique :
Mis en évidence par Hertz en 1887 suite à l’obtention d’un courant électrique après
illumination d’une des deux électrodes métalliques d’une enceinte sous vide, cet effet ne fut
pourtant compris que 17 années plus tard par Albert Einstein en 1904. Ce dernier, se servant
des travaux de Max Planck sur le caractère discret des niveaux d’énergie atomique, y apporta
une interprétation fondée sur l’hypothèse des quanta de lumière, hypothèse selon laquelle la
lumière est en fait composée de grains de lumière de masse nulle: les photons. Ce qui lui valut
le prix Nobel en 1921.
En pratique, un photon d’énergie hν vient "percuter" 1 électron lié ( à un atome ), qui,
par transfert d’énergie - le photon lui cède toute son énergie et disparaît ( absorption totale ) -
, "s’échappe" ( du continuum ) et en profite pour changer son nom en celui, plus poétique, de
photoélectron. Pour que toutefois cet électron soit arraché à l’atome, il faut que l’énergie du
photon incident soit suffisante. Soit l E l’énergie de liaison "rattachant" l’électron à l’atome,
il faut donc que :
h ν > E l ⇔ ) ( λ c h > E l ⇔ λ <
Ce phénomène n’a donc lieu que pour des photons de longueur d’onde inférieure àλ 0 .
Aussi existe-t-il un seuil à l’apparition de l’effet photoélectrique. Si la longueur d’onde des
photons incidents dépasse cette longueur d’onde limite ( i.e. si leur fréquence est trop faible,
ν devant être plus grand que ν 0 ), aucune émission d’électrons ne se produit. Dans le cas
contraire, l’électron ainsi excité acquiert une énergie cinétique Ec telle que :
Noyau
Ec = ²
Electron
hc
El
= λ0
1
me v = hν 0 − El
( où ν 0 = )
2
h
Photon incident
( hν )
Electron éjecté
( Ec )
E l

Annexe I 61
3. Création de paires :
La création de paires ou matérialisation est issue de l’interaction entre un électron et
son antiparticule, un positron. On parle aussi de négaton et de positon pour respectivement
Q = + e et
désigner l’électron et le positron que seule la charge électrique différencie e+
Q e−
= − e , où e est la constante de Coulomb et vaut ( 1.602192 ± 0.0000007 ).10 -19 C (A.s).
De cette rencontre résulte une annihilation du couple e - e + ( formant alors
temporairement une entité instable – 10 -7 s – appelé ion positronium ) et la création d’une
paire de photons émis antiparallèlement et animés de la même énergie E=511 keV; ce qui
s’explique et se démontre par le fait que cet état transitoire n’apparaît que lorsque le positron
atteint une vitesse quasi-nulle, sans quoi, trop rapide, il ne peut interagir avec les électrons :
Conservation
de la
quantité
de mouvement
Conservation
de l’énergie
Positron
T 0 e+
e−
AVANT
COLLISION
(
Electron
T = 0
( Electron au repos )
Or,
r r
pe pe
r r r
0 p pγ
E γ 1
Photon diffusé
E
+ + − =
r
⇔ pγ
1
= γ + ( car
1 2
e+
r r r
= − pγ
⇒ p
2
γ = p
1 γ 2
2 2 4 2 2 2 2
Eγ γ
γ 2
v r = v −
r = 0 r )
= mγ
c + pγ
c = p c ⇒ Eγ pγ
c =
E = E = E γ
Donc, γ 1
2
2
me + c + Te+
) + ( me−c
+ Te−
) = Eγ
+ E
1 γ ⇔
2
γ E c m 2
2 e = 2
( car m e+
= m e−
= m e et E γ = E 1 γ = E 2 γ )
D’où, Eγ = mec²
= 0.
511 MeV
γ 2
Photon diffusé
APRÈS
COLLISION
e

Annexe I 62
Compétition entre ces 3 effets :
Comme le montre la bande grisée sur le schéma ci-dessous représentant les domaines
de prédominance des 3 effets susmentionnés du point de vu du numéro atomique (Z) donc du
nombre d’électrons de l’élément considéré soumis à un rayonnement photonique en fonction
de l’énergie des photons incidents, l’effet princeps intervenant dans les scintillateurs utilisés
est l’effet Compton, ces derniers détecteurs n’étant en effet composé que d’hydrogène ( Z=1 )
et de carbone ( Z=12 ). En outre, cette bande s’étale de 50 keV ( seuil de détection ) à 5 MeV,
énergies dont sont animés les photons gammas issus de la source d’Am-Be. Deux "pics" ont
d’ailleurs été représentés à 666.2 keV et 4.44 MeV, ces derniers correspondant
respectivement aux désexcitation du 237 Np et du 12 C ( 1 er état excité ) au cours des deux
réactions suivantes ayant lieu au sein de la source :
Z
241
95
4
2
4 237
4 237
Am → He + Np * → He + Np + γ ( 666.
2
2
93
9
1 12
1
He + Be → n + C → n + C + γ ( 4.
44
4
Effet
Photoélectrique
0
6
2
93
* 12
0 6
Effet Compton
Création de paires
keV )
MeV )
E=hν
( MeV )

Bibliographie & e-Annexes 63
Pour en savoir plus sur :
BIBLIOGRAPHIE & e-ANNEXES
DÉMON et la scintillation :
- « Mesure de la température maximale des résidus chauds émis dans la
réaction Ar + Au à 60 MeV/u » ~ Thèse présentée à l’Université de
Caen par François-René LECOLLEY en Juin 96
- « Décroissance des noyaux chauds : Le système Ar + Au à 60 MeV/u.
Premiers résultats » ~ Mémoire présenté à l’Université de Bruxelles par
Bénédicte BENOÎT en Juin 95
- http://ireswww.in2p3.fr/ires/recherche/demon/demon.htm
Les détecteurs :
- « Détecteurs de particules. Compteurs et scintillateurs.
Mécanisme et réalisation » ~ Daniel Blanc / Masson & Cie, 1959
- http://caeinfo.in2p3.fr/detecteurs/detecteur1-1.htm
GÉDÉON: http://www.gedeon.prd.fr/presentation/principal.htm
Les déchets nucléaires: http://www.asn.gouv.fr/dechetsnuc/index.asp
Voici quelques ouvrages et sites web plus généraux :
• « Physique subatomique. Noyaux et Particules »,
Luc Valentin / Hermann, 1975
• « Physique nucléaire »,
Michel Bayet / Masson & Cie, 1960
• « Techniques for nuclear and particles physics. Experiments.
A how-to-approach »,
W.R. Leo / Springer-Verlag, 1994
• Site du LPC de Caen: http://www.caeinfo.in2p3.fr
• Site de l’IN2P3: http://www.in2p3.fr

Bibliographie & e-Annexes 63

Remerciements 65
REMERCIEMENTS
En premier lieu, je tiens à remercier François-René LECOLLEY, responsable de ce
stage, pour son encadrement, sa patience et sa grande sympathie.
Je remercie tout particulièrement aussi Jean-François LECOLLEY pour m’avoir
accueilli dans son laboratoire et m’avoir aidé par plusieurs fois à analyser certains documents
ainsi que Jean COLIN pour son investissement dans l’organisation de ces stages Janus.
Enfin, mes remerciements vont à l’ensemble des membres du Laboratoire de Physique
Corpusculaire de Caen ayant participé de près ou de loin à ce stage ( Par ordre alphabétique:
Valentin BLIDEANU, Pierre DELAHAYE, David ÉTASSE, Jean-Marc FONTBONNE,
Jean-Louis GABRIEL, Laurent HAY, Gilles ILTIS, Sandrine JOUANNE, Olivier JUILLET,
Albert LECONTE, Thierry LEGOU, Jacques LELANDAIS, Etienne LIÉNARD, Oscar
NAVILIAT, Nathalie MARIE, Yvan MERRER, Jacqueline MÉTAYER, Jérôme
POINCHEVAL ). Tous, par la disponibilité et la gentillesse dont ils ont su faire preuve à mon
égard, ont en effet contribué à faire de ce stage une expérience des plus enrichissantes.
Merci à tous

Remerciements 65

RÉSUMÉ
Parce qu’ils sont dépourvus de charge, les neutrons ne se détectent pas aisément.
Cependant, au cours des années 90 est apparue une nouvelle gamme de détecteurs, qui,
associés en modules, se sont révélés très efficaces aux neutrons: les DÉMON ( ou DÉtecteurs
MOdulaires de Neutrons ). En "parallèle", au Laboratoire de Physique Corpusculaire de Caen,
a été développé début 2001 un DÉtecteur de COÏncidences ( DÉCOÏ ), qui, comme son nom
le sous-entend, permet, par double détection, d’évincer un maximum de coïncidences
fortuites, rendant ainsi tout évènement doublement détecté potentiellement intéressant.
Aussi le travail réalisé durant ce stage et retracé dans ce rapport porte-t-il sur la
détermination de l’efficacité, du seuil en énergie et de la résolution énergétique d’un dispositif
comprenant un module DÉMON et un DÉCOÏ; détermination effectuée à l’aide d’une source
de neutrons non monocinétiques et selon une géométrie bien précise.
MOTS CLEFS
Neutrons
Énergie Cinétique
Efficacité, Seuil, Résolution
DÉCOÏ
Coïncidences
DÉMON
Discrimination n / γ
Scintillation

http://www.uic.com.au/wast.htm
Travail d’Étude
Présentation d’un stage Janus
Étude d’un dispositif de détection
de neutrons non monocinétiques
à basse énergie
Mathieu TROCMÉ
Licence de Physique - Université de CAEN
Encadrement : Éric PAUMIER
15 Février 2002

Partie I : CONTEXTE
I- Le Nucléaire en France
II- La Transmutation
Partie II : STAGE
I- But
II- Principe
III- Détecteurs utilisés
IV- Efficacité
Conclusion
Bibliographie
PLAN

Partie I : CONTEXTE
I- Le Nucléaire en France :
En France, 78% de l’énergie est d’origine nucléaire.
=> Problème Déchets Nucléaires de type B & C important
http://www.uic.com.au/wast.htm
Loi du 30 Décembre 1991 :
« Assurer [leurs] gestions dans le respect de la nature, de
l’environnement et de la santé, en prenant en considération les
générations futures. »

3 axes de
recherche :
Décision en 2006
II- La transmutation :
Isotope radioactif
à vie longue
1- Conditionnement et entreposage en surface
sur une longue durée
2- Stockage en formation géologique profonde
3- Séparation poussée et transmutation
Alchimie : Pb → Au
X → Y
Intérêt : Diminution radiotoxicité Déchets
- Isotope stable
- Isotope radioactif à vie
beaucoup plus courte
Déchets : Transmutation par capture neutronique

Mais Nécessité d’énormément de neutrons
→ Réaction de Spallation : p + Pb → ~17 n + p, d, t, 3 α, 4 α
Déchets
☺
Faisceau de Protons
1 GeV
Cible de Spallation
Pb
- Puissance Accélérateur
( Intensité faisceau )
- Fuites entre accélérateur et réacteur
- Système sous-critique
- Énergie thermique induite récupérable
100 fois moins de déchets, 100 fois moins radioactif
( 99 Tc - T1/2=2.10 5 y → 100 Tc - T1/2=16s )

MAIS Interaction neutrons-déchets OK ?
Campagne de mesure de données nucléaires
But : Disposer de codes de simulation robustes et validés pour :
2 ème détecteur
DÉMON
Obtenir une modélisation complète des interactions
nucléon-neutron.
Permettre aux théoriciens de tester leurs prédictions sur
des noyaux différents et ainsi affiner les ingrédients
physiques de leur modèle.
Appréciation de la validité des futurs
incinérateurs de déchets
LPC Caen : Etude de nouveaux dispositifs de
détection de neutrons
- Haute énergie ( 30 -200 MeV )
- Basse énergie ( 1 - 40 MeV )
Source neutronique
1 er détecteur
DÉCOÏ

I- But :
Partie II : STAGE
Déterminer : 1- L’efficacité du dispositif, ε () ?
2- Son seuil en énergie, Ts () ?
3- Sa résolution énergétique, ∆T () ?
II- Principe :
Neutron
issu de la source
Potentiel dispositif :
T n
T p = 0
AVANT
COLLISION
Proton
1 er détecteur
T n = Tn
+ Tp
'
? ?
'
. x/20 ?
. $ ?
. ☺☺☺☺ ?
APRÈS
COLLISION
( Performances )
( Coût financier )
( Coût humain )
Neutron diffusé
'
T n
Proton diffusé
'
T p
( Collision élastique )

# T’n ? Grâce à la prise de temps entre les 2 détecteurs
1 er détecteur
DÉCOÏ
Nombre de
Coups
Pic Gamma
Spectre en temps de vol des
neutrons diffusés
Neutrons les plus Neutrons les plus
rapides
lents
∆t = 1 ns
"Pic" Neutron
Résolution énergétique - Pic γ à mi-hauteur :
∆t => ∆T ~ 1 MeV
Seuil en énergie : Ts ~ 1.5 MeV
Ts
2 ème détecteur
DÉMON
Canal
~
Temps de vol des
neutrons diffusés
~
Energie des neutrons
diffusés

# T’P ? Par transposition graphique à l’aide de sources
radioactives aux caractéristiques connues
Nombre de
Coups
Bruit
de fond
Canal n1
T’p1 ~ 1.5 MeV
( Eγ=511 keV )
Canal n3
T’p3 ~ 2 MeV
( Eγ=661.66 keV )
Spectre en énergie obtenu
avec une source 22 Na
Spectre en énergie obtenu
avec une source 137 Cs
Étalonnage en énergie :
A chaque canal est associée une énergie
Canal
~
Energie cinétique des
protons diffusés
( T’p en MeV )
Canal n2
T’p2 ~ 4.5 MeV
( Eγ=1274.54 keV )
+ Pourquoi 2 sources ? Pourquoi 3 points ?
Pour s’assurer que la relation entre charge ( ce que l’on mesure )
et énergie soit linéaire : Q = α.E + β

III- Mais pourquoi ces deux détecteurs
là et pas d’autres ?
# Pourquoi DÉCOÏ ?
Recueil du
signal électrique
DÉCOÏ = Détecteurs de COÏncidences
PhotoMultiplicateurs
Ensemble d’électrodes
Photoélectron
Mais problème bruit de fond PM: non négligeable quand peu de
stats ( 55 % ) Coïncidence entre les deux PM 0.02% !!!
Photon
incident

A A
B B
☺
# Pourquoi DÉMON ?
~ 15-20 mV
Problème car détection Neutrons ET Photons γ
→ Intérêt DÉMON : Discrimination n/γ
Tension en sortie
de DÉMON
~ 5 ns
"Signal Neutron"
"Signal Gamma"
Temps
Composante
Totale
Composante
Lente

Composante
lente
Zone
mixte
Pour chaque événement :
- Temps de vol →
Seuil de
discrimination
'
T n
- Énergie PM 1 DÉCOÏ →
- Énergie PM 2 DÉCOÏ →
T
'
p1
'
p2
T
'
T
p
"Banane" Neutrons
"Banane" Gammas
Composante
totale
T n = Tn
+ Tp
Nouveau seuil en énergie ( Vrai seuil ) : Ts ~ 2 MeV
'
'

IV- Et l’efficacité alors !
Nombre de
coups
100
(1-2 ) ( 15-20 )
Efficacité ε
( % )
0.6
(1-2 )
Courbe Expérimentale
Courbe Idéale
( Source connue )
( Pour un même temps d’exposition )
Rapport des
deux courbes
( 15-20 )
Tn
( MeV )
Courbe d’efficacité
du dispositif
Tn
( MeV )

CONCLUSION
# Stage & contexte ?
- Problème Codeur => Aucune mesure
- Simulation GÉANT prévue pour DÉCOÏ
( car peu d’informations )
Potentiel dispositif :
But "ultime" : Alimenter les simulations afin de
pouvoir apprécier la validité des
futurs incinérateurs de déchets
# Apport personnel ?
. x/20 ?
. $ ?
. ☺☺☺☺ ?
- "Découverte" de la Recherche ( 1 ère approche )
- Rédaction d’un rapport :
Pb Clarté, Formulation + Nouvelles Questions
- Soutenance ( Travail d’Étude de Licence )
Synthèse donc sacrifice + Re-Nouvelles Questions
É

BIBLIOGRAPHIE
# Ressources matérielles :
“ Étude d’un dispositif de détection de neutrons non monocinétiques à
basse énergie ”, Rapport de Stage Janus, Mathieu TROCMÉ, Juillet
2001:
« Mesure de la température maximale des résidus chauds émis dans la
réaction Ar + Au à 60 MeV/u » ~ Thèse présentée à l’Université de
Caen par François-René LECOLLEY en Juin 96
« Décroissance des noyaux chauds : Le système Ar + Au à 60 MeV/u.
Premiers résultats » ~ Mémoire présenté à l’Université de Bruxelles
par Bénédicte BENOÎT en Juin 95
« Détecteurs de particules. Compteurs et scintillateurs.
Mécanisme et réalisation », Daniel Blanc / Masson & Cie, 1959
« Physique subatomique. Noyaux et Particules », Luc Valentin
Hermann, 1975
« Physique nucléaire », Michel Bayet / Masson & Cie, 1960
« Techniques for nuclear and particles physics. Experiments.
A how-to-approach », W.R. Leo / Springer-Verlag, 1994
Science & Vie : “ 2001 Énergie, Les défis à venir ”
- HS n° 214, Mars 2001
Science & Vie Junior - n° 104, Avril 98
“ Prospectives 1998 pour le traitement futur des déchets nucléaires ”
Exposé Grand public de François-René LECOLLEY dans le cadre de la
Semaine de la Science
Encyclopédie Encarta 1998

# e-Ressources :
Sites Pédagogiques :
http://www.uic.com.au/education.htm
http://www.cea.fr/Fiches/index.htm
http://www.laradioactivite.com
http://www-dsm.cea.fr/Dossiers/index.html
http://www-dapnia.cea.fr/TIPE/index.php
Pour plus d’informations sur :
• Les éléments ( Isotopes, Durée de vie, … ) :
http://www.webelements.com
• GÉDEON :
http://www.gedeon.prd.fr/presentation/principal.htm
• L’Agence de Sûreté Nucléaire :
http://http://www.asn.gouv.fr/dechetsnuc/index.asp
• Les détecteurs & les cellules DÉMON :
http://caeinfo.in2p3.fr/detecteurs/detecteur1-1.htm
http://www.fynu.ucl.ac.be/themes/demon/LLN/index.html
http://ireswww.in2p3.fr/ires/recherche/demon/demon.htm