Mesure de sources neutroniques

Étalonnage du débit d’émission de sources neutroniques par la méthode du bain de manganèse

La méthode du bain de manganèse est largement utilisée dans les laboratoires nationaux de métrologie comme méthode de mesure de référence du débit d’émission de sources neutroniques [1]. Les neutrons ne sont pas des particules directement ionisantes et leur métrologie passe par l’utilisation de réactions nucléaires. Les contraintes principales de la métrologie des neutrons découlent d’une part de la très grande gamme d’énergie couverte (de 1 meV à quelque 10 MeV) et d’autre part à la grande variété des réactions possibles entre les neutrons et la matière : diffusion, capture radiative, fission et spallation. Le LNHB dispose depuis 2009 d’une nouvelle installation respectant les normes de radioprotection et pouvant accueillir des sources de débit d’émission maximal de 10⁹ n.s^-1.

Le principe consiste à immerger la source neutronique à mesurer au centre d’une sphère contenant une solution de sulfate de manganèse [2]. Les neutrons émis par la source interagissent alors avec le bain et conduisent notamment à la création d’un isotope radioactif du manganèse, le ⁵⁶Mn, par capture radiative des neutrons sur le manganèse stable du bain. Le radionucléide ⁵⁶Mn (T_1/2 ~ 2,58 h) se désintègre par émission bêta vers les niveaux excités de ⁵⁶Fe à travers plusieurs cascades de photons gamma dont une principale à environ 847 keV.
Une fois la source introduite dans le bain, l’activité en ⁵⁶Mn commence à croître jusqu’à un palier de saturation. Ce palier est atteint en environ 25 h, soit dix périodes de ⁵⁶Mn. Si la source est maintenue dans le bain, l’activité en ⁵⁶Mn reste stable, ce qui correspond à la situation où le nombre d’atomes de ⁵⁶Mn créés par unité de temps est égal au nombre d’atomes se désintégrant par transition ß pendant le même temps. Le débit d’émission de la source s’exprime alors comme le rapport entre l’activité en ⁵⁶Mn du bain à saturation, et le rendement du bain, correspondant à la probabilité qu’un neutron émis par la source crée un atome de ⁵⁶Mn.

L’activité de ⁵⁶Mn est mesurée soit par méthode directe en utilisant par exemple une instrumentation de mesure primaire telles que les coïncidences 4πβ-γ ou RCTD (Rapport des Coïncidences Triples à Doubles), soit par méthode indirecte avec un comptage γ via un détecteur NaI (préalablement étalonné) ou l’utilisation d’une source de référence connue. Le rendement du bain est déterminé par calcul Monte-Carlo à partir d’une modélisation complète du dispositif expérimental (cellule blindée, bain de manganèse, source, supports), de la source, et des processus physiques décrivant les interactions neutroniques avec la matière.
Les sources concernées sont de type (α, n) : AmBe, PuBe, RaBe, PuLi ; fission spontanée : ²⁵²Cf, ²⁴²Cm ; mixtes : ²⁴⁴CmBe, ou (γ, n) : PuBe.
La gamme de mesure est de l’ordre de 10⁵ à quelques 10⁹ n.s^-1, avec une incertitude type d’environ 1 à 2 %.

La mesure de l’anisotropie d’émission de la source neutronique est complémentaire de celle du débit d’émission [1, 2].
En effet, les dimensions de la source, sa forme et son assemblage interne peuvent conduire à dégrader l’isotropie d’émission, le débit d’émission n’est plus constant selon une symétrie centrale mais axiale lorsque par exemple la source est de forme cylindrique.
Il est alors nécessaire de déterminer l’émission angulaire de la source par rapport à l’axe de symétrie.
Cette mesure est réalisée au LNHB grâce à un compteur proportionnel long contenant du BF₃.
La source est placée dans l’air sur un support rotatif et le débit d’émission neutronique relatif est mesuré dans un angle solide d’environ 7.10^-2 sr.
La mesure est effectuée en faisant tourner la source par pas de 15 degrés autour d’un axe vertical et perpendiculaire à son axe de symétrie.
L’effet de diffusion des neutrons dans la cellule de mesure est compensé par des acquisitions similaires en utilisant un cône d’ombre.

POUR ALLER PLUS LOIN :
[1] P. Cassette, F. Ogheard et C. Thiam, 2014. Étalonnage du débit d’émission de sources neutroniques par le bain de manganèse, utilisant une nouvelle méthode de mesure en ligne d’activité de ⁵⁶Mn par coïncidences Cerenkov-gamma. Revue française de métrologie n°36 vol. 4 pp. 39-54.
[2] ISO 8529-1:2001, Rayonnements neutroniques de référence – Partie 1 : Caractéristiques et méthodes de production.