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1. WO2021058752 - DEVICE AND METHOD FOR DETECTING NEUTRINOS

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[ FR ]

Description

Titre : DISPOSITIF ET PROCEDE DE DETECTION DE NEUTRINOS

Domaine technique

L’invention concerne le domaine de la physique nucléaire et de la détection de particules élémentaires, en particulier du neutrino. La présente invention concerne notamment les dispositifs et procédés pour détecter des neutrinos.

Les neutrinos sont émis en grande quantité par le soleil et de nombreuses autres étoiles ainsi que par des sources terrestres telles que des réacteurs nucléaires, par exemple les centrales nucléaires.

Le neutrino est une particule élémentaire dont l’existence a été confirmée expérimentalement en 1956 par Reines et Cowan alors qu’elle avait été imaginée sur une base théorique par Wolfgang Pauli en 1930. La réaction (1) qui a permis l’expérience de Reines - Cowan est l’interaction antineutrino v° - proton p+ :

(1) v° + p+ -> n° + e

Technique antérieure

La détection des neutrinos est extrêmement difficile dans la mesure où leur section efficace d’interaction avec la matière est très faible.

De nombreuses réactions alternatives à la réaction (1) ont été envisagées pour la conception de nouveaux détecteurs de neutrinos. Ces réactions peuvent concerner les neutrinos ou les antineutrino s.

Une catégorie importante de ces réactions est basée, au sein du noyau d’un atome, sur la transformation d’un proton en neutron avec une émission d’un électron positif, dite pseudo-décroissance béta +. On peut citer notamment l’expérience de Cowan-Reines, les détecteurs Borexino, ou encore le détecteur KamLAND.

Une autre catégorie de ces réactions est basée sur la transformation d’un neutron en proton avec une émission d’un électron, dite pseudo-décroissance béta -. On peut citer le détecteur GALLEX en Italie utilisant le gallium transmuté en Germanium par le neutrino, ou le détecteur « Homestake Gold mine » utilisant le couple Chlore-Argon.

Par ailleurs, la réaction élémentaire (2)

(2) n° + v° -> p+ + e

symétrique de la réaction (1), qu’on peut appeler « décroissance béta stimulée », présente une difficulté pratique majeure : elle nécessite de travailler avec des neutrons libres dont la densité (environ 108 /cm3 dans un réacteur) peut difficilement atteindre les densités de noyaux d’un objet usuel (par exemple de l’ordre de 1023 noyaux/cm3 de gallium ou de chlore pour les détecteurs cités ci-dessus).

La demande SU 1396104 a pour objet un procédé de détermination de la masse des neutrinos. Dans le procédé décrit, on détruit la directionnalisé des particules, dans la mesure où on applique un champ magnétique pour les dévier.

Il en est de même dans le procédé décrit dans l’article « Measurement of the Neutrino Asymmetry Parameter B in Neutron Decay », qui porte sur la mesure du paramètre B de l'asymétrie des neutrinos dans la désintégration des neutrons. On utilise également un champ magnétique pour dévier les particules.

Aussi, on ne peut pas dans ces procédé détecter des particules élémentaires, en détectant leur énergie et leur direction.

Il existe donc un besoin pour bénéficier d’un procédé et d’un dispositif de détection de neutrinos à la fois relativement peu coûteux à la fois énergétiquement et économiquement, et pratique à mettre en œuvre.

Exposé de l’invention

Procédé

Selon un premier de ses aspects, l'invention a ainsi pour objet un procédé de détection de neutrinos, comportant les étapes suivantes :

(a) fournir des neutrons libres dans une zone de collision, notamment au moyen d’une source de neutrons libres,

(b) détecter au moins une particule élémentaire émise dans la zone de collision, notamment un électron et/ou un proton, en détectant notamment son énergie et/ou sa direction,

(c) déterminer à partir de la ou des particules élémentaires détectées, notamment de leur énergie et/ou de leur direction, une information sur au moins un neutrino arrivé dans la zone de collision et entré en collision avec un neutron libre présent dans la zone de collision.

L’invention a notamment pour objet, selon l’un de ses aspects, un procédé de détection de neutrinos, comportant les étapes suivantes :

(a) fournir des neutrons libres dans une zone de collision, notamment au moyen d’une source de neutrons libres,

(b) détecter des particules élémentaires émises dans la zone de collision, notamment un électron et un proton, en détectant leur énergie et leur direction,

(c) déterminer à partir de l’énergie et de la direction des particules élémentaires détectées, une information sur au moins un neutrino arrivé dans la zone de collision et entré en collision avec un neutron libre présent dans la zone de collision.

La particule élémentaire émise peut résulter de la réaction d’un neutrino avec un neutron. Il peut s’agir notamment d’un proton et d’un électron tous deux issus d’une unique réaction entre un neutrino et un neutron. Le procédé est ainsi basé sur la réaction élémentaire (2) ci-dessus.

L’obtention d’une information sur ledit au moins un neutrino peut permettre de déterminer la nature de la source du neutrino. La source de neutrinos peut par exemple être choisie dans la liste suivante, qui n’est pas limitative : soleil, supemovæ, centrale nucléaire, accélérateur de particules, installation nucléaire civile ou militaire, sous-marin nucléaire. Les neutrinos issus du soleil ont un flux à la surface de la terre de l’ordre de 6,5.1010 neutrinos/cm2/s.

Elle a en outre des applications pratiques considérables notamment dans les domaines suivants : communication, navigation, contrôles des engins nucléaires, imagerie de corps célestes telles que les planètes et production d’énergie.

Les neutrinos arrivés dans la zone de collision peuvent ne pas être répartis de manière homogène. La détection d’une inhomogénéité peut permettre de déterminer la nature et/ou la localisation de la source du neutrino. Dans l’invention, on peut en particulier chercher à déterminer une inhomogénéité dans la répartition, notamment la répartition spatiale, des neutrinos arrivés dans la zone de collision et entrés en collision avec des neutrons libres présents dans la zone de collision.

Améliorer la détection des neutrinos est également d’un très grand intérêt scientifique, notamment pour la consolidation des modèles de physique théorique.

Le flux de neutrinos solaire sur terre est de l’ordre de 6,4 x 1010 cm 2 s 1. Le nombre de neutrinos arrivés dans la zone de collision et qui peuvent entrer en collision avec un neutron libre présent dans cette zone de collision est dépendant de la densité et de la vitesse des neutrons. Par exemple, pour un faisceau thermique avec des neutrons d’énergie 0,025eV et un flux de 10L6 n.s-l.cm-2 et de section de 1cm2 et pour un orifice d’exposition de 1cm2, donc un volume de lcm3 avec un équivalent densité de 10L6 n/cm3, il peut par exemple être de l’ordre de 1000 neutrinos par seconde.

Ainsi, selon les modes de réalisation, le nombre de neutrinos arrivés dans la zone de collision peut par exemple être supérieur à 1000 neutrinos par minute, mieux supérieur à 100 000 neutrinos par minute. Le nombre de neutrinos arrivés dans la zone de collision et entrés en collision avec un neutron libre présent dans la zone de collision peut par exemple être inférieur à 100 000 neutrinos par minute, voire inférieur à 1000 neutrinos par minute, mieux inférieur à 10 neutrinos par minute.

On peut déterminer à l’étape (c) l’énergie et/ ou la direction d’arrivée dudit neutrino arrivé dans la zone de collision et entré en collision avec un neutron libre présent dans la zone de collision. Le spectre énergétique des neutrinos détectés peut être compris entre 0,78 MeV et plusieurs TeV. Il peut par exemple être compris entre 0,78 MeV et 100 TeV, mieux entre 0,78 MeV et 1 GeV, voire entre 0,78 MeV et 10 MeV. La détermination du spectre énergétique des particules détectés, notamment protons et électrons, peut permettre de déterminer la direction de la position de la source dudit neutrino.

On peut déterminer la direction de la position de la source de neutrinos par rapport à une source de référence connue. Une source de référence connue est une source pour laquelle on connaît le spectre énergétique et la direction de la position. Il peut s’agir par exemple du soleil. Si on connaît l’heure, on connaît la position du soleil, et on peut en déduire la direction de la position de la source du neutrino détecté. On peut par exemple détecter l’apparition d’une supemovæ alors que sa lumière visible est encore très faible. On peut détecter l’énergie et/ ou la direction d’arrivée dudit neutrino avec une précision donnée.

On peut déterminer à l’étape (c) une information sur la distance de la source de neutrinos de laquelle est issue ledit neutrino arrivé dans la zone de collision et entré en collision avec un neutron libre présent dans la zone de collision. A cet effet, on met en œuvre le procédé selon l’invention pendant une durée très longue, par exemple de plusieurs semaines, plusieurs mois ou même plusieurs années. On peut ainsi détecter l’évolution dans le temps du nombre et des caractéristiques des collisions entre un neutrino et un neutron libre présent dans la zone de collision. On obtient ainsi une information sur la densité de la source de neutrinos et sur sa distance.

On peut détecter à l’étape (b) l’énergie et/ou la direction de la particule élémentaire émise dans la zone de collision, notamment un électron et/ou un proton. La

particule élémentaire émise peut être dotée d’une certaine énergie cinétique dépendant de l’énergie du neutrino incident.

Les particules élémentaires émises acquièrent ainsi une gamme d’énergie cinétique qui dépend de l’énergie du neutrino incident. Elles se répartissent dans des directions et des impulsions, dépendantes de la trajectoire et de l’énergie initiale du neutrino incident. L’ensemble de ces trajectoires génèrent un spectre de trajectoires et d’impulsions qui est lié à la direction de la position de la source des neutrinos par rapport au dispositif de détection pour une énergie donnée de ces neutrinos.

On peut détecter à l’étape (b) une paire de particules élémentaires issues de la réaction d’un neutrino avec un neutron, notamment d’un proton et d’un électron issus d’une unique réaction entre un neutrino et un neutron.

On détecte ainsi les deux particules chargées produites, à savoir le proton et l’électron, et, à partir de leurs trajectoires, on peut établir la direction du neutrino incident et/ou son énergie.

La détection d’une paire de proton et électron issus d’une unique réaction peut permettre de déterminer l’énergie du neutrino, notamment avec une précision plus grande et une incertitude plus faible. La détection d’une seule particule élémentaire proton ou électron est suffisante pour obtenir une information sur l’énergie du neutrino, mais avec une certaine incertitude et une précision plus faible.

La détection d’une paire de proton et électron issus d’une unique réaction peut permettre de déterminer l’énergie du neutrino, notamment avec une précision plus grande et une incertitude plus faible.

La détection d’une seule particule élémentaire proton ou électron est suffisante pour obtenir une information sur l’énergie du neutrino, mais avec une certaine incertitude et une précision plus faible. L’incertitude sur la détermination de l’énergie du neutrino et/ou de sa direction en cas de détection d’une paire de particules élémentaires est bien inférieure à l’incertitude sur la détermination de l’énergie du neutrino et/ou de sa direction en cas de détection d’une seule particule élémentaire, sans détection de la particule appariée.

Une majorité des neutrons libres peuvent avoir un moment magnétique ayant une orientation prédéfinie, notamment plus de 60%, mieux plus de 70%, voire plus de 80% des neutrons libres ont un moment magnétique ayant une orientation prédéfinie.

Les moments magnétiques des neutrons libres peuvent être alignés dans le même sens. Ils peuvent être parallèles au sens de déplacement des neutrons libres dans la zone de collision, étant dans le même sens ou dans le sens opposé, ou en variante ils peuvent être perpendiculaires au sens de déplacement des neutrons libres dans la zone de collision. Avec des neutrons libres ayant des moments magnétiques ayant une orientation prédéfinie, on peut minimiser encore l’incertitude quant à la détermination de l’énergie du neutrino et/ou de sa direction.

Les neutrons libres peuvent avoir une énergie comprise entre 1 meV et 14 MeV, mieux entre 1 meV et IKeV, voire entre et 1 meV et 25 meV. L’énergie des neutrons peut être faible, on parle alors de neutrons thermiques ou froids, ou elle peut être élevé, on parle alors de neutrons rapides. Dans un mode de réalisation, on utilise de préférence des neutrons à énergie faible, notamment comprise entre 1 meV et 25 meV. Cela peut permettre de minimiser les risques de rayonnement gamma ou d’émission de toute autre particule.

Dispositif

L’invention a encore pour objet, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, un dispositif pour la mise en œuvre du procédé tel que définit plus haut.

Selon un autre de ses aspects, l'invention a également pour objet un dispositif de détection de neutrinos, par exemple pour la mise en œuvre d’un procédé tel que décrit ci-dessus, comportant :

(i) une source de neutrons libres, configurée pour fournir des neutrons libres dans une zone de collision,

(ii) un outil de détection d’au moins une particule élémentaire émise dans la zone de collision, notamment un électron et/ou un proton, configuré pour détecter notamment son énergie et/ou sa direction,

(iii) un calculateur configuré pour déterminer à partir de la ou des particules élémentaires détectées, notamment de leur énergie et/ou de leur direction, une information sur au moins un neutrino arrivé dans la zone de collision et entré en collision avec un neutron libre présent dans la zone de collision.

L’invention a notamment pour objet, selon l’un de ses aspects, un dispositif de détection de neutrinos, notamment pour la mise en œuvre du procédé tel que décrit ci-dessus, comportant :

(i) une source de neutrons libres, configurée pour fournir des neutrons libres dans une zone de collision,

(ii) un outil de détection de particules élémentaires émises dans la zone de collision, notamment un électron etun proton, configuré pour détecter leur énergie et leur direction,

(iii) un calculateur configuré pour déterminer à partir de l’énergie et de la direction des particules élémentaires détectées, une information sur au moins un neutrino arrivé dans la zone de collision et entré en collision avec un neutron libre présent dans la zone de collision.

Le calculateur peut être configuré pour déterminer l’énergie et/ ou la direction d’arrivée dudit neutrino arrivé dans la zone de collision et entré en collision avec un neutron libre présent dans la zone de collision, notamment avec une précision donnée.

L’outil de détection peut être configuré pour détecter l’énergie et/ou la direction de la particule élémentaire émise dans la zone de collision, notamment un électron et/ou un proton. L’outil de détection peut comporter un seul ou plusieurs détecteurs, par exemple deux ou trois détecteurs.

Un détecteur peut comporter par exemple une mosaïque de scintillateurs, lesquels peuvent être disposés de manière plane ou de manière cylindrique, par exemple autour d’un tube. Un scintillateur émet de la lumière lorsqu’un proton ou un électron y pénètre.

Un détecteur peut comporter en outre un photomultiplicateur, lequel peut être séparé des scintillateurs par un hublot transparent. Le photomultiplicateur permet la conversion de la lumière en signal électronique et son amplification. L’amplification de l’intensité peut être avantageusement de plusieurs ordres de grandeur.

En variante, on peut utiliser tout autre type de détection de protons ou d’électrons, à base électrique ou magnétique. Le ou les détecteurs peuvent par exemple être sensibles à la charge des particules détectées, par exemple par utilisation de mesure de charge électrique ou CCD (en anglais « Charge-Coupled Device »).

L’outil de détection peut être configuré pour détecter une paire de particules élémentaires issues de la réaction d’un neutrino avec un neutron, notamment d’un proton et d’un électron issus d’une unique réaction entre un neutrino et un neutron.

D’autres phénomènes peuvent constituer des sources de bruit, plus ou moins intenses suivant le principe actif de l’outil de détection et des détecteurs, à savoir par exemple détection de charge ou scintillation. Il peut s’agir de la capture des neutrons par les matériaux du dispositif de détection, de phénomènes cosmiques tels que l’arrivée de muons, de

neutrons, ou d’autres particules diverses, et enfin de phénomènes telluriques, tels que des rayonnement gammas terrestres.

Ces sources de bruit peuvent être atténuées par des dispositions prises dans la conception du dispositif de détection. Celui-ci peut par exemple être placé à une distance suffisante des lieux susceptibles d’être le siège d’interactions entre des neutrons et la matière, afin d’éviter que des rayons gammas soient produits par capture radiative des neutrons. Des protections, par exemple en matière lourde telle que plomb ou tungstène par exemple, peuvent être placées le cas échéant entre ces lieux et les parties sensibles de l’outil de détection pour l’absorption des rayonnements gammas. Le dispositif de détection peut alternativement ou additionnellement comporter des protections externes le cas échéant pour la protection anticosmique et antitellurique.

La zone de collision peut être définie par un organe limiteur. L’organe limiteur peut permettre de limiter la zone de collision, permettant de confiner les réactions possibles entre un neutron libre fourni et un neutrino à la zone de collision. L’organe limiteur peut par exemple comporter un tube dans lequel sont présents les neutrons libres sous une forme stationnaire, ou dans lequel circule les neutrons libres, par exemple sous la forme d’un faisceau de neutrons libres. L’organe limiteur peut s’étendre selon une direction d’élongation, laquelle peut par exemple être parallèle, voir confondue, avec un axe longitudinal du faisceau de neutrons libres.

L’utilisation d’un organe limiteur peut permettre de limiter le volume des réactions utiles : les productions de protons et électrons réalisées hors de ce volume n’entrainent alors pas de détection de particules car les particules sont stoppées par une barrière physique. L’organe limiteur peut comporter à cet effet par exemple une petite épaisseur de métal, sur leur chemin possible vers les zones de détection.

Le volume définit par l’organe limiteur représente donc le lieu de création et de départ unique des particules élémentaires qui peuvent être détectées et sera donc utilisé comme point d’origine pour les calculs de trajectoires. L’organe limiteur permet de limiter l’étendue géométrique de l’ensemble des points de départ des particules élémentaires détectées. Comme on n’a pas accès au point de départ effectif, tout point non occulté par l’organe limiteur est un point de départ potentiel dont il faut tenir compte dans la détermination des trajectoires. La réduction de l’organe limiteur permet donc d’être plus précis sur l’élaboration des trajectoires au détriment du nombre d’événements détectables

par unité de temps. On peut très bien fonctionner avec un organe limiteur très grand ou sans l’organe limiteur le cas échéant.

L’organe limiteur peut comporter un ou plusieurs orifices permettant à la ou aux particules élémentaires émises dans la zone de collision d’atteindre l’outil de détection. Le ou lesdits orifices peuvent être répartis sur la périphérie de l’outil limiteur. Le tube peut par exemple comporter un ou plusieurs orifices répartis sur sa périphérie.

Le ou les orifices peuvent avoir un diamètre d’ouverture D compris entre 0,1 mm et 100 mm, mieux entre 1 mm et 10 mm, voire entre 3 mm et 5 mm. Plus le diamètre d’ouverture D est petit, meilleure est la précision angulaire de la détermination de la direction de la position de la source de neutrinos. Plus le diamètre d’ouverture D est grand, meilleur est le nombre par unité de temps de particules élémentaires détectées, ce qui améliore la qualité de la détermination.

Une distance H entre l’organe limiteur et le détecteur peut être comprise entre 10 mm et 10000 mm, mieux entre 100 mm et 1000 mm, voire entre 50 mm et 100 mm. Plus la distance H est grande, meilleure est la précision angulaire de la détermination de la direction de la position de la source de neutrinos. Plus la distance H est petite, plus grands sont les écarts de temps de vol entre les protons et les électrons, et donc plus est difficile leur appariement.

Avec un diamètre d’ouverture D petit et/ou une distance H entre l’organe limiteur et le détecteur petite, on peut améliorer les précisions géométriques angulaires sur le calcul de trajectoires. C’est en particulier le rapport entre ces deux valeurs qui peut déterminer la précision de la mesure.

Avec un diamètre d’ouverture D plus grand et/ou une distance H entre l’organe limiteur et le détecteur plu grande, on peut augmenter le champ de vue de l’instrument, avec un plus grand angle solide de détection de sources.

Dans une variante de réalisation, le dispositif est dépourvu d’organe limiteur.

Le dispositif de détection peut comporter une chambre à vide dans laquelle peuvent être introduit les neutrons.

Le dispositif de détection peut comporter une ou plusieurs électrodes de polarisation. La ou les électrodes de polarisation peuvent permettre d’améliorer la discrimination dans la détection de la polarité des particules élémentaires émises, notamment un électron et/ou un proton, ce qui permet d’améliorer les mesures énergétiques. On peut

ainsi mieux distinguer la polarité d’une particule élémentaire détectée, et mieux apparier un proton avec un électron issu de la même réaction entre un neutrino et un neutron.

Le dispositif de détection peut comporter en outre des moyens de traitement de l’information configurés pour déterminer, à partir de l’énergie cinétique des particules élémentaires issues de la réaction entre le neutron et le neutrino incident, notamment les protons et électrons, les énergies initiales du neutron et du neutrino, qui en sont fortement dépendantes. Dans le cas d’une énergie limitée du neutron, les particules émises ont une certaine distribution spatiale et énergétique ou impulsion qui peut permettre de caractériser la source de neutrinos en termes d’énergie et de direction.

La quantité de lumière produite par les interactions des particules élémentaires, protons et électrons, peut être une fonction monotone croissante de l’énergie cinétique ou impulsion de ces particules élémentaires et peut alors être mesurée et enregistrée par le dispositif de détection. Dans le cas d’une détection par d’autres moyens que la lumière, basés par exemple sur la détection de particules chargées en mouvement, l’énergie peut être appréhendées par l’utilisation de champs électriques et/ou magnétiques.

Les informations de base qui peuvent être acquises et mesurées sont les suivantes : énergie déposée lors de la détection des particules élémentaires, lieu de dépôt de ces énergies, ces lieux pouvant permettre d’établir les trajectoires du proton et de l’électron à partir de la zone de l’organe limiteur. La précision d’impact pourra être de l’ordre du millimètre.

On peut également mesurer la date d’arrivée très précise, avec une précision de l’ordre de la nanoseconde, de chacune des deux particules élémentaires proton et électron issus d’une même réaction entre un neutron et un neutrino incident. On peut également déterminer si les deux particules élémentaires sont issues de la même réaction ou non, par coïncidence temporelle ou non.

Le dispositif de détection peut comporter par exemple, assemblés en chaîne de traitement permettant les acquisitions, un ou des scintillateurs ou alternativement des dispositifs de mesure de charge électrique, une paroi de transmission telle qu’un hublot transparent, un ou des photomultiplicateurs. Le dispositif de détection peut permettre la mesure de charges dans une carte électronique de proximité, la digitalisation et le traitement numérique dans une carte multivoie, puis le stockage dans un ordinateur de la suite des informations collectées.

Une phase d’étalonnage et de calibration peut être nécessaire pour établir les paramètres opérationnels de traitement des informations. Cette phase d’étalonnage et de calibration peut comprendre une phase où peuvent être utilisés des moyens de création et d’impulsion variable de particules chargées du type électron et proton afin d’établir la courbe de réponse en énergie de l’instrument (équivalence énergie déposée - énergie transportée).

Cette phase d’étalonnage et de calibration peut comprendre une exposition à une ou des sources de neutrinos établies ou connues comme par exemple le soleil, à des fins de calibration. Cette calibration peut être effectuée selon les principes et méthodes suivants : détermination des caractéristiques temporelles et énergétiques des coïncidences protons-électrons obtenues et notamment vérification des cohérences entre énergies déposées et écart de temps de vol, puis traitement des coïncidences de détection proton-électrons.

Le traitement des coïncidences de détection proton-électrons peut être effectué en établissant des lieux d’impacts et trajectoires des protons et électrons trié par énergie déposée des protons et électrons en supposant que les neutrinos correspondants sont issus du soleil et ont donc une trajectoire et des énergies connus vis-à-vis du dispositif de détection par construction.

Le traitement des coïncidences de détection proton-électrons peut être effectué en établissant ensuite une fonction de calibration liant trajectoire du neutrino, énergies déposées et distribution des impacts et trajectoires du proton et de l’électron

On établit ensuite un spectre selon les énergies déposées et par conversion de ce spectre en énergie des particules incidentes (neutrinos) en fonction des spectres établis par la bibliographie pour la source considérée.

On analyse ensuite des événements singuliers, c’est-à-dire non coïncidents.

Ces éléments de calibration peuvent être réalisés avec des caractéristiques géométriques variables de l’organe limiteur, permettant d’ajuster la fréquence des événements, la précision géométrique des calculs de trajectoires et la répartition en fréquence des événements singuliers et des couples de particules coïncidentes.

La fonction de calibration établie lors de la phase de calibration peut permettre de traiter les événements lors de l’utilisation opérationnelle afin d’établir pour chaque événement de coïncidence les probabilités associées aux énergies et trajectoires possibles des neutrinos incidents. La détection des énergies et positions d’une seule paire de proton- électron peut permettre d’établir l’énergie mais pas nécessairement pas la trajectoire du neutrino incident.

La fonction de calibration établie lors de la phase de calibration peut permettre de traiter les événements lors de G utilisation opérationnelle afin, pour un ensemble d’événements, de retraiter ces probabilités avec un principe de maximum de vraisemblance pour définir le spectre et la position des sources de neutrinos qui auront pu être identifiées ou pressenties.

Selon un autre de ses aspects, l'invention a également pour objet un détecteur de réacteur nucléaire par détection de neutrinos issus du réacteur nucléaire, comportant un dispositif de détection de neutrinos tel que décrit plus haut. Le détecteur selon l’invention permet la détection et la localisation de n’importe quel réacteur nucléaire, par exemple une centrale nucléaire, un accélérateur de particules, une installation nucléaire civile ou militaire, un sous-marin nucléaire.

Le procédé et le dispositif selon l’invention peuvent permettre de déterminer le positionnement d’un sous-marin, d’effectuer une cartographie spatiale ou terrestre, par exemple des matériaux radioactifs de la terre, d’effectuer un suivi de sources de neutrinos mobiles ou immobiles, de caractériser une source ou des sources de neutrinos. Ils peuvent être utilisés dans des applications de communication, de navigation et d’imagerie par géologie. Ils peuvent par exemple être mis en œuvre sur terre ou sur un satellite.

Fourniture des neutrons

De préférence, les neutrons fournis sont des neutrons libres. Par « neutrons libres », on entend des neutrons qui ne sont pas liés à un noyau.

Les neutrons libres peuvent être sous une forme stationnaire, par exemple étant issus d’une réaction neutronigène locale, ou dans lequel circule les neutrons libres, par exemple sous la forme d’un faisceau de neutrons libres. Le faisceau peut être cylindrique ou non, ayant par exemple une forme en section particulière.

Certains des neutrons libres fournis peuvent avoir un moment magnétique ayant une orientation prédéfinie. Par « moment magnétique », on entend le moment magnétique intrinsèque de la particule, à savoir le neutron.

Une majorité des neutrons libres peuvent avoir un moment magnétique ayant une orientation prédéfinie, notamment plus de 60%, mieux plus de 70%, voire plus de 80% des neutrons libres peuvent avoir un moment magnétique ayant une orientation prédéfinie.

Les moments magnétiques des neutrons libres peuvent être alignés dans le même sens. Ils peuvent être parallèles au sens de déplacement des neutrons libres dans la zone de collision, étant dans le même sens ou dans le sens opposé, ou en variante ils peuvent être perpendiculaires au sens de déplacement des neutrons libres dans la zone de collision.

Les neutrons peuvent être produits par tout type de source de neutrons, tel que par exemple : réacteur nucléaire, accélérateur de particules, sources radioactives, générateurs portables, cette liste n’étant pas limitative.

On peut produire les neutrons par une réaction de fission nucléaire. Les neutrons produits par un réacteur nucléaire peuvent être utilisés pour constituer un faisceau.

Les neutrons peuvent être également produits par une source locale intégrée au dispositif ou proche.

Une autre technologie qui peut être utilisée pour la production de neutrons est la spallation, c’est-à-dire l’interaction de photons énergétiques, particules énergétiques ou noyaux légers fortement accélérés (de l’ordre du MeV au GeV) avec des noyaux lourds et/ou riches en neutrons. L’impact du faisceau énergétique incident (proton, électron ou photons) sur ces noyaux libère les neutrons en fissionnant les noyaux ou en arrachant les neutrons excédentaires dans un cône directionnel.

En variante, on peut également utiliser un procédé de production et/ou de capture d’électron pour produire des neutrons, tel que décrit dans les demandes de brevets EP 2 360 997 et EP 2 505 043.

Source de neutrons

On peut utiliser une source de neutrons, telle que décrite dans les demandes de brevets EP 2 360997 et EP 2 505 043. L’intérêt de cette source est l’absence d’émission parasite telle que l’émission des rayonnements gammas associés aux autres technologies de production de neutrons.

La source de neutrons peut être configurée pour permettre de produire des neutrons libres.

Les neutrons peuvent être émis sous une forme stationnaire, sans direction, par exemple au moyen d’un confinement par laser, ou sous la forme d’un faisceau de neutrons libres. La source de neutrons peut être configurée pour permettre l’émission d’un tel faisceau de neutrons libres. Avantageusement, des neutrons en faisceau permettent de minimiser le

bruit qu’ils sont susceptibles de générer. En effet, il peut en cas de faisceau y avoir moins d’interaction entre les neutrons et la matière du dispositif.

La source de neutrons ci-dessus peut comporter un diaphragme de sortie. Par exemple dans le cas où la source de neutrons est reliée à une enceinte sous vide, le diaphragme de sortie peut être un disque réalisé en matériaux interagissant peu avec les neutrons de manière à laisser passer le faisceau de neutrons. Le diaphragme de sortie peut par exemple être constitué, d'un ou plusieurs matériau(x) faiblement absorbeurs de neutrons. Le diaphragme de sortie peut comporter, par exemple du carbone, du magnésium, du plomb, de la silice, du zirconium ou de l’aluminium. Le diaphragme de sortie peut être de forme quelconque, par exemple circulaire, ovale, elliptique, polygonale.

Brève description des dessins

[Lig 1] La figure 1 est une vue schématique et partielle, en coupe longitudinale, d’un dispositif de détection de neutrinos conforme à l’invention.

[Lig 2] La figure 2 est une vue schématique et partielle, en coupe transversale, d’un autre dispositif de détection de neutrinos conforme à l’invention.

[Lig 3] La figure 3 illustre le procédé de détection de neutrinos conforme à l’invention.

[Lig 4] La figure 4 est une vue de détail du dispositif de la figure 1.

Description détaillée

On a illustré à la figure 1 un dispositif de détection de neutrinos 10 comportant une source de neutrons libres, qui fournit dans l’exemple décrit un faisceau L de neutrons libres. Les neutrons sont dirigés vers une zone de collision Z, dans laquelle ils seront susceptibles d’entrer en collision avec des neutrinos arrivés dans la zone de collision Z. La zone de collision est ménagée dans une chambre à vide 1. Le faisceau de neutrons entre dans la chambre à vide 1 en 6, et en ressort en 8. Il y circule en ligne droite.

Du côté de l’entrée 6 du dispositif 10 et de sa sortie 8, le dispositif 10 comporte deux brides d’entrée 7 et de sortie 9, de façon à limiter au mieux le bruit collecté dans le dispositif de détection 10, c’est-à-dire afin de limiter les réactions de capture neutronique susceptibles de se produire à ces deux brides d’entrée 7 et 9. Ainsi, on limite les interactions faisceau-matière aux deux brides d’entrée et de sortie. Par ailleurs, afin d’éviter toute interaction de rayonnement gamma avec les scintillateurs, des protections de matériel lourd 5 sont disposées entre les brides 7,9 et les scintillateurs 2. Ces protections 5 peuvent être réalisées en plomb ou tungstène.

Le dispositif 10 comporte en outre un outil de détection 11 de particules élémentaires émise dans la zone de collision Z. Les particules élémentaires qui peuvent être détectées sont des électrons et/ou des protons. Ces particules élémentaires sont le résultat de la réaction d’un neutrino avec un neutron. Il peut s’agir notamment d’un proton et d’un électron tous deux issus d’une unique réaction entre un neutrino et un neutron.

L’outil de détection 11 est configuré pour détecter leur énergie et leur direction. Il comporte à cet effet une mosaïque 2 de scintillateurs émettant de la lumière lorsqu’un proton ou un électron y pénètre. Ces scintillateurs sont collés ou fixés sur un hublot 3 qui constitue une barrière au vide et permet à la lumière de quitter les scintillateurs 2 et d’atteindre un ensemble de photomultiplicateurs 4 où cette lumière est convertie en un groupe d’électrons constituant le signal électronique qui est collecté.

Entre la zone de collision Z et l’outil de détection 11, le dispositif comporte un organe limiteur 12 pour limiter la zone de collision Z, réalisé en métal. Dans l’exemple décrit, l’organe limiteur 12 comporter un tube ouvert par deux orifices 13 permettant aux particules élémentaires émises d’atteindre les scintillateurs 2.

Le dispositif 10 comporte en outre un calculateur 15,16 configuré pour déterminer à partir de la ou des particules élémentaires détectées, notamment de leur énergie et/ou de leur direction, une information sur au moins un neutrino arrivé dans la zone de collision et entré en collision avec un neutron libre présent dans la zone de collision.

Dans l’exemple qui vient d’être décrit, les scintillateurs et les photomultiplicateurs 4 sont disposés selon une matrice plane, et l’organe limiteur comporte deux orifices 13 opposés. Bien entendu, on peut arranger le dispositif 10 avec une autre configuration.

A titre d’exemple, on a illustré à la figure 2 un dispositif de détection 10 ayant une forme cylindrique, les scintillateurs et les photomultiplicateurs 4 étant disposés selon un cylindre axé sur le faisceau de neutrons. L’organe limiteur peut comporter un seul orifice de forme cylindrique également, ou en variante plusieurs orifices disposés sur un cylindre.

On va maintenant expliciter la mise en œuvre du procédé de détection selon l’invention, en référence à la figure 3.

Dans une première étape, on fournit des neutrons libres dans une zone de collision, notamment au moyen d’une source de neutrons libres, puis on détecter au moins une particule élémentaire émise dans la zone de collision, notamment un électron et/ou un proton, en détectant notamment son énergie et/ou sa direction au moyen d’un scintillateur 2. La lumière émise traverse le hublot 3, puis est convertie et amplifiée par les photomultiplicateurs 4. Le signal électrique obtenu est converti en 15 d’un signal analogique en un signal numérique, et un premier traitement est effectué, pour déterminer la polarisation du signal, son intensité et sa datation, afin de détecter les éventuelles coïncidences.

Enfin, un ordinateur 16 permet d’enregistrer les informations de numéro de détecteur, de date d’impulsion et d’intensité d’impulsion, de les organiser en tableau, de traiter l’information et de détecter des coïncidences, afin d’identifier les particules et de calculer les trajectoires et les spectres d’énergie.

En effet, les caractéristiques des couples d’électron/proton émis sont contraints par trois caractéristiques initiales, à savoir l’énergie du neutrino incident, la direction du neutrino incident, et l’énergie du neutron. Selon chaque jeu de conditions initiales de ces trois caractéristiques, les énergies et les directions d’émission des couples de particules élémentaires émises représentent une « signature » différente : un bouquet d’émissions possibles et non unique pour les paires émises correspondant aux conditions initiales. La configuration obtenue par des émissions cumulées des couples de particules représente alors la signature correspondante aux conditions initiales.

Grâce à la mesure fournie par le dispositif de détection présenté ci-dessus, on peut retrouver les conditions initiales, notamment les directions et les énergies des neutrinos incidents.

La précision de mesure peut dépendre de certains paramètres du dispositif, comme illustré à la figure 4. A titre d’exemple, il peut dépendre du diamètre d’ouverture D de l’orifice. Plus le diamètre d’ouverture D est petit, meilleure est la précision angulaire de la détermination de la direction de la position de la source de neutrinos. Plus le diamètre d’ouverture D est grand, meilleur est le nombre par unité de temps de particules élémentaires détectées, ce qui améliore la qualité de la détermination. La précision peut également dépendre de la distance H entre l’organe limiteur et le détecteur. Plus la distance H est grande, meilleure est la précision angulaire de la détermination de la direction de la position de la source de neutrinos. Plus la distance H est petite, plus grands sont les écarts de temps de vol entre les protons et les électrons, et donc plus est difficile leur appariement.