R&D en détecteurs de neutron

Améliorer le flux de neutrons n'a que peu d'intérêt si les neutrons diffusés ne peuvent pas être détectés efficacement, avec la résolution spatiale et temporelle requise. Des détecteurs de haute qualité sont essentiels pour garantir des performances optimales des instruments et produire une science de premier plan. Il est crucial de maximiser l'efficacité de détection tout en minimisant le bruit de fond, notamment les rayons gamma. Dans la plupart des cas, ces exigences sont le mieux satisfaites par des détecteurs utilisant du gaz ³He pressurisé comme milieu de détection.

La recherche et le développement sur les détecteurs à ³He se concentrent sur deux grandes techniques : les détecteurs sensibles en position (PSD) et les chambres à fils multi-proportionnelles (MWPC). Le développement continu des détecteurs à ³He, ainsi que des technologies alternatives, permet de repousser sans cesse les limites de la détection de neutrons, maintenant ainsi l'ILL à l'avant-garde de ce domaine.

Contact

Bruno Guerard
Chef de service
guerard(at)ill.eu
Tel. +33 4 76 20 72 77

DÉTECTEURS LINÉAIRES SENSIBLES EN POSITION

Un détecteur sensible en position (PSD) est un tube rempli de gaz ³He à haute pression, contenant un fil anodique résistif monté en son centre et alimenté sous haute tension. Lorsqu'un neutron interagit avec un atome de ³He, un proton et un tritium sont émis, ionisant le gaz. La charge ainsi produite est amplifiée, et les signaux sont enregistrés aux deux extrémités du fil, ce qui permet de calculer la position d'interaction par division de charge.

L'un des principaux avantages de cette technique est la possibilité de compter simultanément les neutrons interagissant dans plusieurs PSD distincts. En assemblant côte à côte de nombreux PSD, il est possible d'atteindre des taux de comptage supérieurs de 1 à 2 ordres de grandeur à ceux des détecteurs MWPC. Pour exploiter pleinement leurs performances, un alignement mécanique de précision est indispensable, avec une exactitude requise de l'ordre de quelques dixièmes de millimètre.

Spécifications techniques (D11) :

  • Surface sensible : 2 m²
  • Résolution spatiale : 6 mm x 8 mm
  • Taux de comptage maximal : 3 kHz/mm² (irradiation locale), 100 kHz par tube (irradiation globale)
  • Efficacité de détection : 90 % à 1 nm

DÉTECTEURS MULTITUBES

Les panneaux de détecteurs multitubes s'apparentent à des ensembles de PSD individuels, mais reposent sur un procédé de fabrication différent. Dans les détecteurs multitubes de grande surface, de nombreux tubes en acier inoxydable (généralement 32) sont soudés sur des brides communes à leurs deux extrémités. Ces brides sont hermétiquement scellées par des couvercles en aluminium afin de contenir le gaz ³He, les tubes reliés entre eux partageant un même volume de gaz.

Fort du succès du détecteur multitube de l'instrument IN5, plusieurs autres instruments ont adopté cette technologie, notamment EXED au HZB et PANTHER à l'ILL. En 2024, l'ILL et l'ESS ont entamé une collaboration visant à développer un détecteur multitube composé de tubes de 2,5 cm de diamètre et de 3,5 m de longueur, destiné à l'instrument CSPEC.

Spécifications techniques (IN5) :

  • Surface sensible : 30 m²
  • Résolution spatiale : 25 mm x 25 mm
  • Taux de comptage maximal : 1 kHz/mm² (irradiation locale), 50 kHz par tube (irradiation globale)
  • Efficacité de détection : 82 % à 0,45 nm

DÉTECTEURS MONOBLOCS EN ALUMINIUM

Les détecteurs sensibles en position d'un diamètre inférieur à 8 mm sont difficiles à fabriquer. Les détecteurs multitubes monoblocs en aluminium (MAM) répondent à ce besoin de diamètre réduit, offrant une meilleure résolution spatiale au sein des ensembles de PSD. L'usinage de haute précision réalisé à l'ILL a permis le développement de ces détecteurs, utilisés sur les réflectomètres D17 et FIGARO, ainsi que sur l'instrument SANS D33.

Le rendu de conception présente une coupe transversale du détecteur du réflectomètre FIGARO, mettant en évidence ses principaux composants : le bloc central contenant les tubes, les fils anodiques montés au centre des tubes, les circuits de connexion, ainsi que les traversées électriques.

Spécifications techniques (FIGARO) :

  • Surface sensible : 20 cm x 47 cm
  • Résolution spatiale : 2,5 mm x 7,4 mm
  • Taux de comptage maximal : 3 kHz/mm² (irradiation locale), 100 kHz par tube (irradiation globale)
  • Efficacité de détection : 80 % à 0,45 nm

DÉTECTEURS BIDIMENSIONNELS TRENCH-MWPC

Une cathode métallique a été développée pour les détecteurs courbes, afin de résoudre le problème de diffusion des neutrons causé par les matériaux en circuit imprimé (PCB) habituellement utilisés dans les détecteurs MWPC. Cette nouvelle conception est appelée compteur proportionnel multifils « trench » (Trench-MWPC). La cathode est constituée d'un assemblage de lames métalliques isolées électriquement, chacune usinée avec de fines dents espacées de quelques millimètres. Lorsque les lames sont empilées sur toute la hauteur du détecteur, l'alignement des dents forme des rainures dans lesquelles les fils anodiques peuvent être positionnés. Cette configuration assure une excellente stabilité mécanique des fils anodiques sous haute tension, supprimant ainsi le besoin de fils cathodiques supplémentaires au-dessus du plan anodique.

Comme pour les détecteurs MAM, les détecteurs Trench-MWPC reposent fortement sur un usinage de précision réalisé en interne, par électroérosion à fil (EDM), pour la fabrication des lames empilées.

Spécifications techniques (XtremeD) :

  • Couverture angulaire : 130° x 24°
  • Résolution angulaire : 0,15° x 0,20°
  • Taux de comptage maximal : 3 kHz/mm² (irradiation locale), 3 MHz pour l'ensemble du détecteur (irradiation globale)
  • Efficacité de détection : 75 % à 0,25 nm