Nouveau détecteur améliore la mesure des neutrons au CERN

Le facility de temps de vol des neutrons connue sous le nom de nTOF est située au CERN. Elle est utilisée pour étudier comment les neutrons interagissent avec différents matériaux. Les scientifiques mesurent ces interactions pour aider dans divers domaines comme les technologies nucléaires et l'astrophysique. Depuis 2014, l'une de ses zones, appelée Zone Expérimentale 2 (EAR2), est particulièrement active. Cette zone produit beaucoup plus de neutrons à chaque impulsion, ce qui rend plus facile l'obtention de données utiles. Cependant, le grand nombre de neutrons crée des défis pour les dispositifs qui les détectent.

#Le besoin de meilleurs détecteurs

Dans le passé, les détecteurs utilisés dans EAR2 ont rencontré des problèmes à cause des taux de comptage élevés. Ces comptes font référence à combien de particules les détecteurs enregistrent. Quand trop de neutrons frappent les détecteurs, cela peut causer des problèmes comme le pile-up, où les signaux se chevauchent et rendent difficile la lecture des comptages individuels. De même, des décalages de gain se produisent lorsque la réponse du détecteur change sous des taux de comptage élevés, rendant difficile d'obtenir des lectures précises.

Pour résoudre ces problèmes, un nouveau type de détecteur appelé le Détecteur d'Énergie Totale Segmenté (sTED) a été créé. Ce détecteur utilise des parties plus petites et segmentées qui peuvent mieux gérer des taux de comptage élevés que les anciennes versions.

#Qu'est-ce que le Détecteur d'Énergie Totale Segmenté ?

Le sTED est conçu pour améliorer le comptage des neutrons en divisant la zone de détection en sections plus petites. Chaque section, appelée module, a un volume plus petit que les détecteurs précédents, réduisant le taux de comptage pour chaque partie tout en maintenant l'efficacité globale. Ce design aide à diminuer les chances de pile-up et de décalages de gain.

Les modules sTED sont remplis d'un liquide spécial qui réagit lorsque des neutrons les frappent. Ils sont aussi associés à des photo-multiplicateurs avancés - des dispositifs qui convertissent la lumière produite par le liquide en signaux électroniques. Ces photo-multiplicateurs ont été optimisés pour bien fonctionner avec des taux de comptage élevés.

#Caractéristiques du sTED

Le sTED a plusieurs caractéristiques importantes :

1. Volume Actif Plus Petit : Chaque module est beaucoup plus petit que les anciens détecteurs, ce qui aide à réduire le nombre de comptes que chaque module enregistre.

2. Photo-Multiplicateurs Avancés : Les nouveaux dispositifs peuvent gérer des taux de comptage plus élevés sans perdre en précision.

3. Amélioration de la Résolution Énergétique et Temporelle : Le sTED peut mesurer avec précision l'énergie des neutrons et le temps qu'il leur faut pour être détectés.

4. Tests Réussis : Des tests ont confirmé que le sTED peut fonctionner efficacement pour les mesures de section efficace de capture des neutrons jusqu'à au moins 400 keV, ce qui est une amélioration significative par rapport aux détecteurs précédents.

#Défis d'un Flux Neutronique Élevé

Dans EAR2, le Flux de neutrons, ou le nombre de neutrons disponibles pour être détectés, est beaucoup plus élevé que dans d'autres zones expérimentales. Ce flux de neutrons accru entraîne des taux de comptage plus élevés dans les détecteurs. Les problèmes de pile-up et de décalage de gain mentionnés plus tôt deviennent plus prononcés dans ces conditions.

Pour vous donner une idée, lors d'expériences précédentes utilisant des détecteurs de plus grand volume, les chercheurs ont constaté qu'à des taux de comptage très élevés, presque un quart des signaux pouvaient être perdus. Cette perte peut affecter considérablement la qualité des données et rendre les mesures précises presque impossibles.

#Performance des Anciens Détecteurs

Les anciens détecteurs comme les détecteurs BICRON et en housse de carbone ont été utilisés avec succès dans le passé à nTOF. Cependant, dans les conditions intenses de l'EAR2, ces détecteurs ont rencontré des limitations. Les effets de pile-up et de décalage de gain étaient courants, particulièrement lorsque les taux de comptage dépassaient certains seuils.

Les chercheurs ont appris qu'éloigner les détecteurs des échantillons de neutrons n'améliorait pas nécessairement la situation. Au lieu de cela, cela diminuait souvent la force du signal sans réduire efficacement le bruit de fond, qui est un problème constant.

#Performance du sTED

Le design du sTED vise à relever ces défis. En gérant les taux de comptage par segmentation, il a prouvé donner de meilleurs résultats dans l'environnement difficile de l'EAR2. Des tests ont montré qu'en comparaison aux anciens détecteurs, le taux de comptage pour le sTED est significativement plus bas, ce qui facilite l'obtention de données nettes.

Lorsque les modules sTED détectent des neutrons, ils gèrent aussi les données collectées en temps réel. Des techniques d'analyse avancées, comme l'ajustement de forme d'impulsion, aident à séparer les signaux utiles du bruit. Cette capacité est cruciale pour produire des résultats précis lors des expériences.

#Avantages du Système sTED

Les avantages du système sTED peuvent être résumés comme suit :

1. Efficacité de Détection Plus Élevée : En utilisant plusieurs petits modules, l'efficacité globale reste élevée tout en maintenant des comptes plus bas par module.

2. Précision des Données : La réduction des effets de pile-up et de décalage de gain conduit à des lectures plus précises et à une meilleure qualité des données.

3. Robustesse dans les Mesures : Avec la capacité de gérer des taux de comptage élevés, le sTED améliore la fiabilité des mesures de section efficace de capture des neutrons.

4. Intégration Réussie : Le nouveau détecteur a déjà fourni des données utiles lors de plusieurs expériences, montrant ses bénéfices pratiques.

#Comparaison avec les Systèmes Précédents

En regardant en arrière aux systèmes plus anciens comme les détecteurs BICRON, les améliorations observées avec le sTED sont substantielles. Par exemple, les détecteurs BICRON avaient du mal à fournir des mesures précises au-dessus de certains niveaux d'énergie à cause des problèmes de comptage. En revanche, le sTED a montré qu'il pouvait bien fonctionner même à des énergies plus élevées.

La capacité à mener des expériences avec divers isotopes met également en avant la polyvalence du sTED. Cette flexibilité ouvre de nouvelles opportunités pour la recherche et les applications qui étaient difficiles ou impossibles avec les anciens détecteurs.

#Test du sTED

Le sTED a été soumis à des tests rigoureux avant d'être utilisé régulièrement. Un test incluait la mesure du rendement de capture d'un échantillon d'or (Au) pour voir à quel point le sTED performait par rapport aux résultats attendus d'études précédentes.

Les performances du sTED lors de ces tests ont montré qu'il pouvait mesurer efficacement la section efficace de capture de l'or. Les résultats obtenus correspondaient bien avec les données précédentes d'autres expériences, rassurant les chercheurs sur sa fiabilité et sa précision.

#Applications Futures

Alors que le sTED continue d'être utilisé dans diverses expériences, il a le potentiel de jouer un rôle important dans le futur des études sur les neutrons. Les scientifiques peuvent explorer de nouveaux matériaux et isotopes en toute confiance, sachant que le sTED peut gérer les conditions exigeantes des environnements à fort flux de neutrons.

Cette technologie de détecteur pourrait être applicable dans d'autres installations confrontées à des défis similaires, en faisant une avancée précieuse pour le domaine de la recherche nucléaire.

#Conclusion

L'introduction du Détecteur d'Énergie Totale Segmenté a apporté des améliorations significatives aux mesures de capture de neutrons à nTOF, particulièrement dans l'environnement difficile de l'EAR2. Avec ses modules plus petits et ses photo-multiplicateurs avancés, le sTED surmonte de nombreuses limitations auxquelles faisaient face les détecteurs précédents.

Ses performances dans des expériences réelles montrent d'excellentes promesses, et à mesure que davantage de recherches sont menées, on s'attend à ce qu'il contribue de manière significative à notre compréhension des interactions des neutrons avec la matière. Avec le soutien continu pour ces innovations, le sTED est prêt à avoir un impact durable sur la recherche scientifique à l'avenir.