Développement d'une TPC pour les références en énergie et en fluence des champs neutroniques de basses énergies (de 8 keV à 5 MeV)

​Donovan Maire a soutenue sa thèse le 4 décembre 2015 à Cadarache.

Afin de juger de la fiabilité des mesures, la métrologie nécessite de quantifier des grandeurs, avec leurs incertitudes, en les reliant à une référence par une chaine ininterrompue et documentée d’étalonnages. Dans le domaine des rayonnements neutroniques, il est essentiel de connaitre la réponse des instruments de mesure en fonction de l’énergie des neutrons. Des étalonnages sont donc réalisés auprès de champs neutroniques de référence. En France, les références primaires en termes de champs neutroniques sont détenues par le LNE-IRSN, au sein du Laboratoire de Métrologie et de Dosimétrie des Neutrons (LMDN).

Afin d’améliorer la caractérisation des champs neutroniques de référence, le détecteur LNE-IRSN MIMAC μTPC a été développé. Ce détecteur est une Chambre à Projection Temporelle (TPC), utilisant un gaz à basse pression (30 mbar abs. à 1 bar abs.). Des noyaux de recul sont produits par diffusion élastique des neutrons sur les atomes du gaz. En mesurant l’énergie et l’angle de diffusion des noyaux de recul, le détecteur μTPC mesure la distribution en énergie de la fluence des neutrons entre 8 keV et 5 MeV.

Le défi majeur de cette thèse était de réaliser une spectrométrie fine des champs neutroniques dans le domaine du keV, selon une procédure de mesure primaire. Une démarche métrologique a d’abord été entreprise afin de maitriser l’ensemble des processus physiques intervenant dans la détection des neutrons par la μTPC. Cela a conduit au développement d’un modèle direct et d’un modèle inverse représentant respectivement la fonction de réponse du détecteur et sa réciproque. Grâce à cette caractérisation détaillée, la distribution en énergie de la fluence a été mesurée pour un champ neutronique continu de 27 keV. L’énergie des neutrons reconstruite est 28,2 ± 4,5 keV, la mesure intégrale de la fluence est en accord avec d’autres méthodes de mesures à 6% près. Le système LNE-IRSN MIMAC μTPC devient le seul capable de mesurer conjointement l’énergie et la fluence à des énergies inférieures à 100 keV, de manière primaire. L’objectif de la thèse est donc atteint. Ces mesures à des énergies inférieures à 100 keV ont mis en exergue une non-linéarité de l’ionisation par rapport à l’énergie cinétique des ions. Au-delà de cette thèse, l’étude de cette non-linéarité fait écho aux questions actuelles en radiobiologie sur les mécanismes de dépôt de dose.