FR3033900A1 - Dispositif de detection de neutrons thermiques, comportant une coquille de scintillateur plastique enveloppant un coeur de gadolinium ou de cadmium, et dispositif de comptage de neutrons thermiques associe - Google Patents

Abstract

Dispositif de détection de neutrons thermiques, comportant une coquille de scintillateur plastique enveloppant un coeur de gadolinium ou de cadmium, et dispositif de comptage de neutrons thermiques associé. Selon l'invention, ce dispositif de détection comprend un cœur (2), riche en gadolinium ou en cadmium, une coquille en scintillateur plastique (4) enveloppant le cœur, et un dispositif de conversion de photons (12), présentant une interface avec la coquille et convertissant les photons de scintillation, issus de la coquille, en un signal représentatif de ceux-ci. Le dispositif de comptage comprend le dispositif de détection et un dispositif de traitement de signal (16) fournissant un signal de comptage de neutrons thermiques à partir du signal représentatif des photons de scintillation. L'invention s'applique notamment à la détection de matière radiologique, à la radioprotection nucléaire et au suivi de la criticité neutronique d'infrastructures nucléaires.

Description

1 DISPOSITIF DE DETECTION DE NEUTRONS THERMIQUES, COMPORTANT UNE COQUILLE DE SCINTILLATEUR PLASTIQUE ENVELOPPANT UN COEUR DE GADOLINIUM OU DE CADMIUM, ET DISPOSITIF DE COMPTAGE DE NEUTRONS THERMIQUES ASSOCIE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un dispositif de détection de neutrons thermiques ainsi qu'un dispositif de comptage de neutrons thermiques utilisant ce dispositif de détection. Elle est donc dédiée au comptage des neutrons thermiques, neutrons dont l'énergie cinétique est inférieure à 1 eV, et trouve notamment des applications dans les domaines suivants : - la détection de matière radiologique (notamment pour la lutte contre la menace de type « bombe sale » et contre la prolifération d'armements nucléaires), en mettant plus particulièrement en oeuvre l'invention dans les balises de sécurité qui sont installées aux frontières et dans les lieux publics ; - le suivi opérationnel du débit de dose neutronique en radioprotection nucléaire (l'invention constituant alors une alternative aux systèmes du type des sphères de Bonner à hélium-3) ; - le suivi de criticité neutronique sur les infrastructures nucléaires, notamment dans la fabrication et le conditionnement de la matière fissile, destinée aux chaudières nucléaires (par exemple celles qui sont utilisées pour la production d'électricité ou la propulsion navale). L'isotope 157 du gadolinium, présent à 15,68% dans le gadolinium naturel, présente la plus grande section efficace d'absorption des neutrons thermiques qui soit répertoriée dans l'inventaire des isotopes stables, à savoir 255000 barns. L'isotope 155 du gadolinium, présent à 14,7%, offre quant à lui une section efficace d'absorption de 61000 barns. La présente invention résout le problème de l'exploitation de cette section efficace dans le domaine d'énergie dit thermique. En effet, la nature des 3033900 2 particules résultant de la capture d'un neutron thermique par un noyau de gadolinium 155 ou 157, à savoir des photons X et des photons gamma ainsi que des électrons de conversion interne et des électrons Auger, n'autorise pas la discrimination entre rayonnements neutronique et photonique, discrimination qui est fondée sur la forme des 5 impulsions (PSD pour : Pulse Shape Discrimination). Toutefois, au cours de la désexcitation d'un noyau absorbeur, des rayonnements gamma de haute énergie sont émis et peuvent conduire à un dépôt d'énergie supérieur à 3 MeV à l'intérieur d'un scintillateur plastique convenablement dimensionné. Or, un seuil d'amplitude énergétique de 3 MeV permet de s'affranchir de l'ambiance photonique de la 10 radioactivité naturelle, en outrepassant la valeur relative aux rayons gamma les plus énergétiques de la chaîne du thorium 232. Dans la présente invention, le cadmium naturel ou de préférence le cadmium-113, dont la section efficace de capture radiative des neutrons thermiques vaut 20600 barns, et dont l'isotopie représente 12% du cadmium naturel, peut servir 15 d'alternative au gadolinium. Indiquons dès à présent que la conception d'un système dual conforme à l'invention, dans lequel un coeur chargé en élément gadolinium, sous forme de métal, d'oxyde, d'alliage, de cristal ou de complexe organo-métallique, où le gadolinium est présent suivant son isotopie naturelle ou est enrichi en isotope 155 et/ou 157, plein ou 20 creux (et dans ce dernier cas, contenant par exemple et non exhaustivement (s'il n'est pas vide) un certain volume de thermaliseur hydrogéné, de scintillateur plastique ou de scintillateur inorganique) est placé au centre d'une sphère de scintillateur plastique, permet à la fois la thermalisation des neutrons incidents par la sphère, la capture des neutrons thermalisés par le coeur, et le dépôt d'une énergie comprise entre un seuil 25 permettant de s'affranchir de la radioactivité naturelle et l'énergie d'émission de rayonnements gamma de haute énergie, laquelle énergie, quantifiée par scintillation, permet l'identification d'une interaction neutronique et, par conséquent, le comptage. La présente invention repose principalement sur la géométrie mise en oeuvre pour lire la signature photonique de haute énergie des captures neutroniques, et comporte deux modes de réalisation principaux : 3033900 3 - une première configuration dans laquelle le coeur riche en gadolinium est soit plein, soit creux et contient alors autre chose qu'un volume de scintillateur ; et - une deuxième configuration dans laquelle le coeur riche en gadolinium est creux, et contient un volume de scintillateur de quelque nature que ce soit (principalement 5 un scintillateur plastique ou inorganique). ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE La détection et le comptage de neutrons constituent un défi technologique en raison de la nature indirectement ionisante d'un tel rayonnement : les particules secondaires, générées par interaction entre un neutron et un atome du 10 capteur, sont chargées et ce sont elles qui constituent la signature du passage neutronique. En outre, au moment de la détection, il est nécessaire de s'affranchir du signal généré par les particules secondaires résultant de l'interaction entre les photons X et gamma et les électrons des atomes du capteur. Par conséquent, des capteurs physiques présentant une faible densité de charge, tels que les gaz et les milieux 15 organiques, ainsi que des atomes possédant une section efficace d'interaction avec les neutrons la plus élevée possible et émettant des particules chargées postérieurement à l'interaction, sont de bons candidats pour la détection neutronique. Parmi les détecteurs spécifiquement dédiés aux neutrons de faible énergie, neutrons dits thermiques, les compteurs proportionnels à hélium-3, exploitant 20 une réaction de type (n,p) qui sera détaillée par la suite et pour laquelle la section efficace s'élève à 5327 barns, sont les plus répandus. Le capteur physique est typiquement intégré dans des systèmes conciliant la thermalisation des neutrons incidents, au sein d'un matériau modérateur, par exemple dans une sphère de Bonner, sous la forme d'une coquille, dont l'épaisseur et la géométrie sont optimisées en fonction de l'application et 25 d'un coeur riche en hélium-3, dans lequel les neutrons thermalisés sont capturés, cette capture autorisant la détection et le comptage par suite de la génération de particules chargées. A ce sujet, on se reportera au document suivant : [1] US 2011/0049380, Neutron energy spectrometer, invention de J. Dubeau.

3033900 4 Devant la pénurie mondiale et les enjeux stratégiques, attachés au tritium, des alternatives compétitives à la technologie de l'hélium-3 sont activement recherchées, au premier rang desquelles figurent les scintillateurs organiques, liquides et plastiques. L'homme de l'art a ainsi étendu la géométrie sphérique, appliquée à la 5 coquille thermalisante mentionnée ci-dessus, dite sphère de Bonner, au cas où le coeur d'hélium-3 est remplacé par un scintillateur inorganique d'iodure de lithium-6. Il est alors fait usage de la section efficace du lithium-6, égale à 950 barns, pour la capture (n,a) des neutrons thermiques. L'atout majeur de l'isotope du lithium est qu'il permet de discriminer le signal dû au neutron du signal dû au photon gamma, en conduisant une 10 analyse de la forme des impulsions (PSD). Toutefois, la section efficace de capture du lithium-6 est, largement inférieure à celle de l'hélium-3. Il est donc difficilement envisageable, en termes de taux de détection neutronique, de concurrencer directement la technologie gazeuse en se fondant sur cet isotope. Pour la capture radiative (n,y) des neutrons thermiques, le gadolinium 15 présente une section efficace égale à 48890 barns dans le cas d'un mélange isotopique naturel. Cette section efficace s'élève à 255000 barns pour l'isotope 157 seul et à 61000 barns pour l'isotope 155 seul. Le gadolinium est mis en oeuvre pour la détection et le comptage neutronique par scintillation, par exemple dans des scintillateurs inorganiques de type lithium-gadolinium-bore. Une alternative à de tels cristaux peut se 20 présenter sous la forme de cristaux céramiques dans lesquels est inséré un oxyde de gadolinium. A ce sujet, on se reportera au document suivant : [2] US 2012/0049118, Ceramic scintillator body and scintillation device, B.C. LaCourse et al.

25 Les limites associées aux scintillateurs inorganiques, notamment en termes de coûts de fabrication et de difficultés de montée en échelle et de modifiabilité, suffisent à justifier l'exploration de voies alternatives. On connaît ainsi des structures présentant des réseaux de fibres incluant du verre de gadolinium de façon à permettre un gain d'échelle sans excéder le coût d'un compteur à hélium-3. A ce sujet, on se reportera 30 au document suivant : 3033900 5 [3] US 7,233,007, Radiation detectors and methods of detecting radiation, R.G. Downing et al. Reprenant une géométrie sphérique semblable à celle des sphères de Bonner, des détecteurs de neutrons ont été conçus dans lesquels le compteur à hélium-3 5 est remplacé par un scintillateur liquide dopé au gadolinium. Les scintillateurs liquides posent toutefois des problèmes de sûreté, en raison d'un point éclair bas et des risques de fuite de matière toxique. En raison des limitations imposées aux technologies concurrentes, l'homme de l'art a été conduit à explorer la voie des scintillateurs organiques plastiques, 10 peu coûteux, flexibles en termes de taille et de géométrie, présentant un point éclair plus élevé que leurs homologues liquides. On connaît ainsi des dispositifs à base de nanoscintillateurs, dans lesquels est inséré du gadolinium notamment sous forme de grenat, d'halogénure ou d'oxyde. A ce sujet, on se reportera au document suivant : [4] US 2012/0286166, Thermal neutron detectors based on 15 gadolinium-containing nanoscintillators, M.A. Osinski et al. Il est également connu de disperser le gadolinium dans la matrice plastique, sous forme de sphères cristallines, ou, plus classiquement, de le superposer sous forme de feuilles à des blocs de plastique scintillant. Les feuilles de gadolinium utilisées pour la capture radiative des neutrons thermiques sont mises en oeuvre suivant 20 une géométrie qui permet la réalisation de systèmes de grandes dimensions par concaténation. On connaît ainsi le principe de feuilles de gadolinium enroulées autour de tubes de scintillateur inorganique par le document suivant : [5] EP 1 403 661, Scintillation detector with gadolinium based sidewall axial restraint and compliance assembly, W.J. Richard.

25 Et ce principe a été adapté dans des structures où le scintillateur prend la forme de barres de scintillateur plastique. De même, on connaît des systèmes se présentant sous la forme de lignes de scintillateurs inorganiques au lithium-6 insérés entre des blocs de matière hydrogénée jouant un simple rôle de thermaliseur de 30 neutrons. A ce sujet, on se reportera au document suivant : 3033900 6 [6] US 2005/02224719, Neutron detector with layered thermal neutron scintillator and dual function light guide and thermalizing media, R.M. Pelichar et al. Ces systèmes connus trouvent leur analogue dans un prototype connu, intitulé « Gadolinium-lined plastic scintillator detector ». Dans ce dernier, des feuilles 5 recouvertes de gadolinium sont intercalées entre des blocs de scintillateur plastique dont les épaisseurs respectives sont optimisées. A ce sujet, on se reportera au document suivant : [7] SCINTILLA : A European project for the development of scintillation detectors and new technologies for nuclear security, A. Alemberti, M. Battaglieri, E.

10 Botta, R. DeVita, E. Fanchini, G. Firpo, WSPC - Proceedings, Avril 2014. On se reportera aussi au document suivant : [8] Update on T2.4: Gd-Lined plastic scintillator detector, R. De Vita, INFN, Novembre 2012.

15 Ce document [8] divulgue un système de détection neutronique mettant en oeuvre la capture radiative de neutrons thermalisés dans des couvertures fines et planes de gadolinium, intercalées entre des volumes parallélépipédiques rectangles de plastique scintillant. Le détecteur final se présente alors sous la forme d'un empilement 20 constitué de l'alternance de telles couches, dont les dimensions respectives font l'objet d'une étude d'optimisation. La géométrie adoptée permet alors d'augmenter la surface active de gadolinium par concaténation de blocs scintillateur plastique-dépôt de gadolinium-scintillateur plastique, et d'insérer ce système connu dans de volumineuses balises de détection dédiées à la lutte contre le risque connu sous le sigle NRBC-E (pour : 25 nucléaire, radiologique, biologique, chimique et explosif). A l'opposé d'une telle approche, la présente invention, du moins dans son premier mode de réalisation (première configuration), autorise une montée en masse de gadolinium dans le coeur, tout en garantissant la portabilité du dispositif de comptage. Sa géométrie, déployant une coquille de scintillateur plastique et un coeur riche en gadolinium qui sont de préférence 30 sphériques et concentriques, est spécifiquement conçue pour favoriser lesdites montées 3033900 7 en masse et portabilité, tout en permettant, notamment en géométrie sphérique, de limiter les biais d'anisotropie. En effet, l'invention peut être adaptée à des applications de lutte contre le risque NRBC-E, mais elle est surtout conçue pour répondre à des problématiques de dosimétrie en radioprotection, domaine où il est essentiel d'avoir une 5 thermalisation maximale et un encombrement minimal. De même, sachant que le système connu par le document [8] utilise des couvertures de gadolinium, la forme chimique riche en gadolinium est contrainte par cette nécessité d'un dépôt, tandis que dans la présente invention, le coeur peut aussi bien être cristallin ou sous forme de complexe organo-métallique que directement sous la forme d'un oxyde ou d'un métal 10 pur. Lors de la mise en oeuvre du gadolinium, notamment de ses isotopes 155 et 157, la difficulté technique essentielle réside dans la discrimination des signaux de scintillation dus aux électrons de la cascade radiative (n,y) des signaux de scintillation induits par les électrons de diffusion Compton (voire générés par effet photoélectrique) 15 engendrés par des rayonnements d'ambiance avec une énergie comparable. A bas taux de comptage gamma, une simple discrimination par un seuil d'énergie compris entre 3 et 5 MeV assure un comptage neutronique fiable dans le système connu par le document [8] et dans la présente invention. En revanche, à fort taux de comptage gamma, l'empilement est à l'origine de comptages gamma de haute énergie, de même amplitude 20 que le signal utilisé pour la détection. Afin d'éviter d'élever le seuil pour s'affranchir de ce bruit photonique, ce qui dégraderait fortement l'efficacité de détection du système, les auteurs du document [8] mettent en oeuvre une parade exploitant la coïncidence temporelle entre les signaux recueillis à la sortie de blocs de plastique scintillant adjacents : si deux événements d'amplitude compatibles avec une capture neutronique 25 sont détectés dans une même fenêtre temporelle de largeur optimisée (typiquement, pour les dimensions retenues, entre 1 ns et 10 ns), un coup est enregistré. Cette méthode de coïncidence temporelle, si elle permet de rendre la mesure robuste à haut taux de comptage gamma sans entraîner de dégradation rédhibitoire de l'efficacité de détection, reste vulnérable aux impulsions induites dans la même fenêtre par certains 30 rayonnements photoniques de haute énergie. Le système connu par le document [8] 3033900 8 impose en outre l'utilisation, aussi bien coûteuse qu'encombrante, de deux systèmes de conversion à gain des photons de scintillation en électrons de signal, en l'occurrence des photomultiplicateurs, pour recueillir les impulsions issues des deux blocs. EXPOSÉ DE L'INVENTION 5 La présente invention vise à remédier aux inconvénients de la technique divulguée par le document [8]. Elle permet tout d'abord une exploitation de la coïncidence temporelle entre deux voies, si l'on adopte la deuxième configuration mentionnée plus haut. Dans ce dernier cas, le coeur riche en gadolinium est creux et contient un certain volume de 10 scintillateur ; et l'on peut alors utiliser, par exemple, un dépôt d'épaisseur donnée, optimalement arrêtée, de gadolinium métallique ou sous forme d'oxyde, sur un volume prédimensionné dudit scintillateur. Si le scintillateur placé à l'intérieur de l'épaisseur de gadolinium est de même nature que la coquille extérieure à cette épaisseur de gadolinium, la détection s'appuiera sur une coïncidence temporelle à l'intérieur d'une 15 fenêtre déterminée de dépôts de grande énergie, respectivement dans les deux scintillateurs plastiques, et nécessitera un dispositif de conversion de photons pour chaque voie. On précise que le signal généré dans le volume intérieur de scintillateur peut être extrait au moyen d'une fibre optique ou tout simplement en surface, si un guide pour les photons, réalisé au moyen de réflecteurs et d'isolants, a été prévu lors de la 20 réalisation du dispositif. Si un scintillateur plastique ayant une constante de temps de décroissance significativement différente de celle de la coquille extérieure (rapport de l'une des constantes à l'autre au moins égal à 2, de préférence au moins égal à 8) a été employé, ou si l'on a utilisé un scintillateur inorganique, une discrimination par la forme 25 des impulsions sera possible entre les deux voies, et l'économie d'un dispositif de conversion pourra être faite. Au cas où un scintillateur organique est utilisé, la densité permettra en outre de conserver un dispositif conforme à l'invention ayant des dimensions modestes pour la portabilité et possédant une probabilité de dépôt élevée aussi bien pour les photons gamma de haute énergie de la cascade radiative, que pour les 3033900 9 photons de matérialisation à 511 keV, lesquels sont inexploitables par les auteurs du document [8]. La présente invention repose sur les trois points clés suivants. 1. La coquille de scintillateur plastique joue, dans un premier temps, un 5 rôle de thermaliseur des neutrons de fission incidents, provenant d'une source de tels neutrons, placée à une distance quelconque du dispositif conforme à l'invention. Or, cette thermalisation est un préalable à la mise en oeuvre de la capture radiative des neutrons par les noyaux de gadolinium présents dans le coeur du scintillateur. 2. Les neutrons thermalisés interagissent avec les noyaux de gadolinium 155 10 et 157 présents dans le coeur qui est riche en de tels noyaux, avec une probabilité d'autant plus grande que le coeur est volumineux et riche en isotopes 155 et 157. Pour une taille et une composition chimique et atomique du coeur données, cette probabilité peut être maximisée par le choix d'un certain volume de coquille de scintillateur plastique. En effet, au-delà d'un certain volume de la coquille, la thermalisation des 15 neutrons incidents, qui est un facteur adjuvant, est concurrencée par la dispersion des neutrons thermalisés qui atteignent alors le coeur riche en gadolinium avec une plus faible probabilité. 3. Ultérieurement à la capture radiative, des rayonnements photoniques de haute énergie sont générés avec une certaine probabilité. Tout rayonnement photonique 20 qui peut donner lieu à des dépôts d'énergie dans la coquille, par effet photoélectrique, effet Compton ou effet de création de paires, dépôts qui sont supérieurs à un seuil fixé de façon à exclure les dépôts d'énergie dans la coquille, dus aux photons de radioactivité tombant sur le détecteur (le seuil étant typiquement supérieur à 3 MeV), est pertinent pour la détection. Les photons gamma de 6,75011 MeV, émis théoriquement avec une 25 probabilité de 18,6% dans la cascade radiative du gadolinium 158 excité, sont tout particulièrement pertinents pour cette détection. Lorsqu'un tel rayonnement photonique est émis, la probabilité qu'il dépose dans la coquille de scintillateur plastique une énergie supérieure au seuil fixé augmente avec le volume de ladite coquille, si bien que finalement, le dimensionnement de la coquille, pour une taille et une composition 30 données du coeur riche en gadolinium, résulte d'une optimisation, ou d'un compromis 3033900 10 entre la probabilité de capture des neutrons incidents par le coeur et le taux de dépôt, dans le scintillateur, des photons gamma de haute énergie, qui sont produits dans le coeur par capture radiative desdits neutrons. En ce qui concerne les moyens techniques pour la mise en oeuvre de 5 l'invention, en plus du coeur riche en gadolinium et du scintillateur plastique, une estimation des comptages associés à la source neutronique est nécessaire. Les photons de scintillation générés dans la coquille sont convertis en un signal électronique par l'intermédiaire d'un système de conversion à gain, par exemple un photomultiplicateur ; puis le signal électronique est dirigé séparément vers un bloc électronique d'adaptation 10 et de traitement qui délivre en sortie une information de comptage neutronique. Le mérite essentiel de la présente invention réside dans la conception d'un système de simple discrimination par amplitude ou aire, permettant d'utiliser la section efficace de Gd-155, et surtout celle de Gd-157, au moyen d'une technologie fondée sur les scintillateurs plastiques, en vue d'un comptage neutronique. Les atouts de 15 ces scintillateurs, en termes de coût, de taille, de résistance mécanique et de versatilité de la morphologie ont été mentionnés plus haut. De façon précise, la présente invention a pour objet un dispositif de détection de neutrons thermiques, caractérisé en ce qu'il comprend : -un coeur, riche en gadolinium ou en cadmium, 20 -une coquille en scintillateur plastique, qui enveloppe le coeur, et -un dispositif de conversion de photons qui présente une interface avec la coquille et qui convertit les photons de scintillation, issus de la coquille, en un signal représentatif de ceux-ci. Le gadolinium peut être sous forme naturelle ou enrichie en gadolinium 25 155 et/ou en gadolinium 157. De plus, il peut être utilisé sous forme de métal pur ou d'oxyde ou d'alliage ou de complexe organo-métallique ou sous forme cristalline. Le cadmium peut être sous forme naturelle ou enrichie en cadmium 113. De plus, il peut être utilisé sous forme de métal pur ou d'oxyde ou d'alliage ou sous forme cristalline.

3033900 11 En outre, on peut prévoir un dispositif de décalage de longueur d'onde en vue de maximiser la conversion dont le rendement dépend de la longueur d'onde des photons incidents. Selon un mode de réalisation préféré du dispositif de détection, objet de 5 l'invention, le coeur et la coquille sont sensiblement sphériques et sensiblement concentriques. De préférence, ce dispositif comprend en outre un premier ensemble de réflexion et d'isolation vis-à-vis des photons, entre le coeur et la coquille. De préférence, ce dispositif comprend aussi un deuxième ensemble de 10 réflexion et d'isolation vis-à-vis des photons, entourant la coquille, sauf à l'interface entre celle-ci et le dispositif de conversion des photons. A l'extérieur du deuxième ensemble de réflexion et d'isolation, on peut prévoir une protection du scintillateur plastique de la coquille vis-à-vis des photons X et gamma, par exemple un blindage en plomb ; et cette protection peut être complétée par 15 une couverture apte à thermaliser les neutrons incidents. Selon un premier mode de réalisation particulier de l'invention, le coeur est plein, ou le coeur est creux et comporte une première zone interne qui est vide ou contient un matériau thermalisant, pour la thermalisation des neutrons. Ce matériau thermalisant peut être un matériau thermalisant 20 hydrogéné. Selon un deuxième mode de réalisation particulier, le coeur est creux et comporte une deuxième zone interne qui contient un matériau scintillateur. Ce matériau scintillateur peut être notamment un matériau scintillateur plastique ou inorganique.

25 De préférence, le dispositif, objet de l'invention, comprend en outre un dispositif de récupération de photons, de préférence un guide de photons, pour récupérer les photons issus du matériau scintillateur, contenu dans la zone interne que comporte le coeur. De préférence, il comprend aussi un troisième ensemble de réflexion et 30 d'isolation vis-à-vis des photons, entre la deuxième zone interne et le reste du coeur.

3033900 12 Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, l'une des constantes de temps de décroissance respectives du scintillateur plastique de la coquille et du matériau scintillateur de la deuxième zone interne est au moins deux fois supérieure à l'autre.

5 Le rapport de l'une des constantes à l'autre est alors au moins égal à deux. Cela permet à l'homme de l'art de pratiquer une discrimination par la forme des impulsions temporelles avec un facteur de mérite satisfaisant. Selon un autre mode de réalisation particulier, l'une des constantes de temps de décroissance respectives du scintillateur plastique de la coquille et du matériau 10 scintillateur de la deuxième zone interne est inférieure à deux fois l'autre, et le dispositif de détection comprend en outre un autre dispositif de conversion de photons qui convertit les photons de scintillation, issus du matériau scintillateur, en un signal représentatif de ceux-ci. La présente invention concerne aussi un dispositif de comptage de 15 neutrons thermiques, comprenant : -le dispositif de détection de neutrons thermiques, objet de l'invention, et -un dispositif de traitement de signal qui fournit un signal de comptage de neutrons thermiques à partir du signal représentatif des photons de scintillation.

20 Dans le cas où le coeur est plein ou le coeur est creux et comporte une première zone interne qui est vide ou contient un matériau thermalisant, pour la thermalisation des neutrons, le dispositif de traitement de signal peut comprendre : -un discriminateur d'impulsions qui fournit une impulsion dès lors que le signal représentatif des photons de scintillation est supérieur à un seuil prédéfini, 25 -un dispositif d'évaluation d'énergie qui calcule une valeur d'énergie associée à l'impulsion fournie, -un comparateur à double seuil qui compare la valeur d'énergie à un intervalle d'énergies, ces énergies étant déterminées comme étant pertinentes pour la détection d'un rayonnement gamma de haute énergie, et qui fournit des signaux logiques 3033900 13 de niveau haut et de niveau bas, selon que la valeur d'énergie appartient, ou non, à l'intervalle d'énergies, et -un compteur incrémental qui compte, sur une durée prédéfinie, les signaux logiques de niveau haut.

5 Dans ce cas où le coeur est creux et comporte une deuxième zone interne qui contient un matériau scintillateur, et l'une des constantes de décroissance respectives du scintillateur plastique de la coquille et du matériau scintillateur de la deuxième zone interne est au moins dix fois supérieure à l'autre, le dispositif de traitement de signal peut comprendre : 10 -un discriminateur par la forme des impulsions, qui discrimine et quantifie des première et deuxième valeurs d'énergie, respectivement déposées dans le scintillateur plastique de la coquille et dans le matériau scintillateur de la deuxième zone interne, -des premier, deuxième, troisième et quatrième comparateurs à double 15 seuil, les premier et troisième comparateurs étant associés à la première valeur d'énergie, les deuxième et quatrième comparateurs étant associés à la deuxième valeur d'énergie, -chacun des premier et deuxième comparateurs comparant la valeur d'énergie, qui lui est associée, à un intervalle d'énergies, ces énergies étant déterminées 20 comme étant pertinentes pour la détection d'un rayonnement gamma de haute énergie, et fournissant des signaux logiques de niveau haut et de niveau bas, selon que la valeur d'énergie associée appartient, ou non, à cet intervalle d'énergies, -chacun des troisième et quatrième comparateurs comparant la valeur d'énergie, qui lui est associée, à un intervalle d'énergies, ces énergies étant déterminées 25 comme étant pertinentes pour une détection par coïncidence d'événements, et fournissant des signaux logiques de niveau haut et de niveau bas, selon que la valeur d'énergie associée appartient, ou non, à cet intervalle d'énergies, -une première porte logique qui fournit un signal logique de niveau haut lorsque les valeurs d'énergie associées aux troisième et quatrième comparateurs 3033900 14 appartiennent respectivement aux intervalles d'énergies correspondants, et sinon un signal logique de niveau bas, -une deuxième porte logique qui reçoit les signaux fournis par les premier et deuxième comparateurs et par la première porte logique, et fournit un signal 5 logique de niveau haut lorsqu'au moins l'un des signaux logiques qu'elle reçoit est au niveau haut, et -un compteur incrémental qui compte, sur une durée prédéfinie, les signaux logiques de niveau haut, fournis par la deuxième porte logique. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS 10 La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : -la figure 1 représente l'évolution du taux utile pour la détection TGd (en coups par neutron) en fonction du rayon r (en cm) d'un coeur sphérique de gadolinium, 15 pour une coquille scintillante sphérique de rayon R égal à 11,8 cm, -la figure 2 représente l'évolution du taux utile pour la détection en fonction de la masse M (en g) du chargement en gadolinium pur, pour R égal à 11,8 cm, -la figure 3 représente l'évolution du taux utile pour la détection en fonction du coût C (en C) de chargement en gadolinium pur à 99,9%, pour R égal à 20 11,8 cm, -la figure 4 est une vue schématique, en coupe latérale, d'un premier mode de réalisation particulier du dispositif de comptage, objet de l'invention, -la figure 5 est une vue schématique d'un exemple du dispositif de traitement numérique associé au dispositif de la figure 4, 25 -la figure 6 est une vue schématique, en coupe latérale, d'un deuxième mode de réalisation particulier du dispositif de comptage, objet de l'invention, -la figure 7 est une vue schématique d'un exemple du dispositif de traitement numérique associé au dispositif de la figure 6, et 3033900 15 -la figure 8 est une vue schématique d'un exemple de dispositif de discrimination par la forme des impulsions, utilisable dans un dispositif de traitement qui peut être associé au dispositif représenté sur la figure 6.

5 EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS La validation du principe de la présente invention, technique concurrentielle de la technologie utilisant l'hélium-3, en termes de rapport sensibilité/coût, a été effectuée par simulation. On a fait usage du code MCNPX2.7, code de transport de particules dans la matière par une méthode probabiliste de type Monte- 10 Carlo. A ce sujet, on se reportera au document suivant : [9] MCNEX User manuel, Los Alamos Tech. rep., LA-CP-11-00438, 2011. Ce programme fournit un historique complet de chaque corpuscule généré, qu'il soit source ou diffusé, jusqu'à ce que son énergie cinétique tombe sous une valeur de seuil, égale à 1 keV.

15 Dans la simulation, on fait le choix d'une géométrie sphérique, conforme à la vue en coupe représentée sur la figure 4 des dessins annexés : le coeur riche en gadolinium est une sphère pleine de rayon r, et le scintillateur plastique qui l'enserre est une coquille sphérique de rayon R. Les réflecteurs sont négligés dans la simulation, et les calculs de taux de détection sont établis en l'absence de blindage, 20 isolant, réflecteur ou thermaliseur de neutrons autour du système. Afin de construire une référence en terme de sensibilité et de coût pour la technologie utilisant l'hélium-3, on a reproduit sous MCNPX le détecteur de Bonner qui a une géométrie similaire et dont les dimensions sont : r= 1,15 cm et R = 11,43 cm. Une source de californium 252 est simulée avec le jeu de constantes (C, a, b), où a = 25 1,025 MeV, b = 2,926 MeV-1, C = 0,3016, décrivant son spectre de Watt. La source est placée à une distance D= 50 cm de la surface extérieure du détecteur. Une densité de 1,07 g.cm-3 est fixée pour la coquille de scintillateur plastique. Les données obtenues par MCPNX et notées « tally 4 », fournissent un taux de capture des neutrons de fission émis par la source, exprimé en capture/neutron 3033900 16 (ca/n). Chaque capture d'un neutron par un noyau d'hélium-3 est décrite par l'équation (1) : He + ,'irl. -> 11-1 + lp + 0,77 MeV (1) 5 Le taux de capture ainsi obtenu représente directement le taux de détection, en coups par neutron (c/n), étant donné que les particules chargées, utiles à la détection, sont émises et déposent leur énergie dans le scintillateur de façon sûre et certaine. Le taux calculé s'élève à TH, = (2,99 + 0,06)x10-5 cm.

10 On considère dans un premier temps une bille de gadolinium naturel, avec une pureté théorique de 100%. Dans cette étude, le rayon R de la coquille scintillante est pris égal à 11,8 cm. Le taux de capture radiative par les noyaux de gadolinium 157 (respectivement 155) du coeur est calculé au moyen du « tally 4» et noté Ica,157 (respectivement i -ca,155.) On limite le mesurande aux photons de scintillation 15 induits par les dépôts énergétiques de rayonnements gamma d'énergie supérieure à 3 MeV, émis dans P - Ey>3 MeV,157 = 1,299 y/ca (gamma/capture) des désexcitations radiatives de l'isotope 157 après capture, et P - Ey>3 MeV,155 désexcitations radiatives de l'isotope 155 après capture. Au moyen du « tally 8)> de MCNPX, on calcule, pour une distribution spatiale homogène de rayons gamma, générée 20 dans le coeur riche en gadolinium, le taux de dépôt d'énergie supérieure à 3 MeV dans la coquille de scintillateur plastique, qui sera à l'origine du signal utile pour la détection ; ce dernier taux est noté r -D>3 MeV,157 (respectivement r -D>3 MeV,155) et exprimé en dépôts/gamma (d/y). Le taux utile pour la détection, noté -cGd et exprimé en coups par neutron (c/n), est alors tel que : 25 IGd = Ica,157 X PEy>3 MeV,157 X ID>3 MeV,157 + Ica,155 X PEy>3 MeV,155 X ID>3 MeV,155 (2) Ce dernier taux est évalué, pour la valeur de R donnée plus haut, en fonction de différentes valeurs de r, lesquelles conditionnent la masse du chargement en 30 gadolinium pur et par conséquent le coût en matière première du capteur. Les valeurs de = 0,2464 y/ca des 3033900 17 -cGd obtenues en fonction du rayon r (cm) de la sphère interne de gadolinium, de la masse M(g) de gadolinium et du coût d'achat C (E) du gadolinium à une pureté de 99,9% sont respectivement portés sur les figures 1, 2 et 3 des dessins annexés. Le coût primaire du capteur doit être complété par le coût des composants de la coquille de scintillateur 5 plastique, faite de styrène qui est commercialement disponible à un prix d'environ 10E par litre, soit ici approximativement 60 E supplémentaires. Les courbes caractéristiques obtenues montrent qu'a partir d'une valeur d'environ 0,25 cm pour r, correspondant à un coût négligeable devant celui du styrène, on atteint un taux utile pour la détection, égal au taux calculé pour la sphère de Bonner 10 chargée en hélium-3. Par ailleurs, pour un rayon r = 1,4 cm, correspondant à un coût d'environ 600E de gadolinium pur, on obtient un taux utile pour la détection Ica égal à (5,00 + 0,07)x10-4 cm, qui est plus de 10 fois supérieur à celui que l'on obtient pour la sphère chargée en hélium-3. Le coût des matériaux pour un tel capteur est inférieur à 700 E et se compare donc avantageusement au prix d'un détecteur à hélium- 15 3, compris entre 1000 E et 10000 C. Ces données de simulation justifient par conséquent l'intérêt de la présente invention en regard du compromis sensibilité/coût. La figure 4 est une vue en coupe latérale schématique d'un premier mode de réalisation particulier du dispositif de comptage, objet de l'invention, correspondant à la première configuration mentionnée plus haut.

20 Sur cette figure 4, -la référence 2 représente le coeur solide, riche en gadolinium (métallique, oxyde, cristal, ...) ; -la référence 4 représente la coquille de scintillateur plastique ; -la référence 6 représente l'ensemble réflecteur-isolant qui sépare le 25 coeur 2 de la coquille 4; -la référence 8 représente un autre ensemble réflecteur-isolant, qui entoure la coquille 4 et peut être complété par un blindage non représenté (acier, plomb, ...) contre le rayonnement X/gamma d'ambiance ou émis par la source neutronique (non représentée) et/ou par une couverture thermalisante de neutrons (non représentée) ; 3033900 18 -la référence 10 représente un dispositif de décalage de longueur d'onde optionnel ; -la référence 12 représente un dispositif de conversion des photons émis dans le scintillateur de la coquille 4 en électrons de signal (photocathode ou 5 photodiode), associé à un dispositif de multiplication de charges (par avalanche ou par pont dynodique de photomultiplicateur) ; -la référence 14 représente une alimentation de haute tension du dispositif 12; -la référence 16 représente un dispositif électronique de traitement du 10 signal fourni par le dispositif de conversion 6; et -la référence 18 représente une interface Homme-Machine, associée au dispositif 16. Dans la première configuration, le coeur riche en gadolinium est soit plein (cas représenté sur la figure 4), soit creux et contient alors autre chose qu'un 15 volume de scintillateur. Le capteur physique, constitué par le dispositif de détection, comprend le coeur solide, riche en gadolinium 2, placé au centre, ou près du centre, de la coquille de scintillateur plastique 4. Si aucune contrainte absolue n'est formulée sur les formes géométriques respectives du coeur et de la coquille, une configuration utilisant un coeur sphérique, riche en gadolinium, et une coquille sphérique de scintillateur plastique 20 qui sont concentriques (comme on l'a représenté sur la figure 4) est idéale, étant donné qu'elle permet de s'affranchir des biais d'anisotropie. Le dimensionnement du coeur et de la coquille est critique, comme le montrent les études de simulation, si bien qu'il existe, pour chaque diamètre et composition chimique du coeur riche en gadolinium, un diamètre optimal de la coquille de scintillateur plastique qui l'enserre.

25 En ce qui concerne la réalisation pratique du dispositif, on ajoute, dans un moule adapté à la forme du dispositif, les différents constituants de la coquille de plastique scintillant, par exemple : - le styrène sec (matrice) ; - le diméthacrylate de 1,4-butanediyle (agent réticulant) en proportion adéquate ; 3033900 19 - le 2,5-diphényloxazole (fluorophore primaire) et le 1,4-bis(5-phény1-2-oxazoly1) benzène (fluorophore secondaire) en proportions respectives adéquates. La solution est dégazée, pour éliminer tout air résiduel, puis elle est saturée en gaz neutre. Le gadolinium métallique est alors ajusté au centre de la sphère de 5 scintillateur. Le système est chauffé sous atmosphère inerte jusqu'à l'achèvement de la polymérisation. Le moule est ensuite cassé, et la surface du scintillateur, qui présente une interface avec le dispositif de conversion 6 (voir ci-dessous) est polie. Le coeur, riche en gadolinium, se présente sous la forme de gadolinium métallique, de pureté variable, d'un oxyde de gadolinium, d'un cristal de gadolinium ou 10 d'un complexe organométallique, où le gadolinium est présent suivant son isotopie naturelle ou est enrichi en isotopes 155 et 157. Le coeur 2 et le scintillateur de la coquille 4 sont isolés l'un de l'autre par l'ensemble 6 formé d'un réflecteur de réflexivité maximale et d'un isolant, de sorte qu'un photon de scintillation, créé au sein du scintillateur, présente la plus faible probabilité possible d'être perdu pour la détection par interaction 15 dans le coeur. Par exemple et non exhaustivement, le réflecteur peut se présenter sous la forme de couches d'une peinture réfléchissante ou, de façon plus performante, de feuilles d'aluminium ou de téflon. De même, afin de limiter l'échappement des photons de scintillation, l'ensemble réflecteur-isolant 8 entoure la totalité de la coquille de scintillateur plastique, à l'exception de l'interface avec le dispositif de conversion 10. A 20 l'extérieur du réflecteur en question, le scintillateur peut être protégé de l'ambiance photonique (photons X et gamma) par un blindage de plomb (non représenté) de façon à maximiser le Rapport Signal neutronique sur Bruit photonique et, par conséquent à permettre d'avoir un gain en limite de détection. Ce blindage peut lui-même être complété par une couverture thermalisante des neutrons incidents (non représentée), 25 par exemple sous la forme d'une épaisseur de polyéthylène. Il convient de noter que, lorsque le scintillateur est creux, il peut contenir un volume donné de thermaliseur, notamment hydrogéné, qui participe à l'accroissement du taux de capture neutronique. La conversion des photons de scintillation, issus de la coquille 4 est réalisée à l'entrée du dispositif de conversion à gain 12. On peut prévoir le dispositif de 30 décalage de longueur d'onde 10, de façon à maximiser la conversion dont le rendement 3033900 20 est une fonction de la longueur d'onde incidente. L'alimentation à haute tension 14 permet la polarisation du dispositif de conversion à gain 12 (photomultiplicateur ou photodiode à avalanche) qui permet la multiplication des charges. Le traitement des signaux électriques issus de ce dispositif 12 est assuré par le dispositif électronique de 5 traitement 16 qui est relié à l'interface Homme-Machine 18. Le schéma fonctionnel du dispositif électronique de traitement 16, permettant le comptage neutronique, est représenté sur la figure 5. Sur la figure 5 : -la référence S représente le signal provenant du dispositif de 10 conversion à gain 12. -la référence 20 représente une électronique d'adaptation optionnelle du signal S (préamplicateur intégrant les charges) ; -la référence SA représente le signal adapté ; -la référence 22 représente un discriminateur d'impulsion ; 15 -la référence Sb représente le niveau de discrimination d'une impulsion par rapport au bruit électronique ; -la référence I représente une impulsion ; -la référence 24 représente un dispositif de conversion de l'amplitude ou de l'aire de l'impulsion en énergie ; 20 -la référence K représente le coefficient de conversion ; -la référence E réprésente l'énergie résultant de la conversion ; -la référence 26 représente un comparateur à deux seuils d'énergie, à savoir un seuil haut et un seuil bas ; -la figure Eb représente le seuil bas en énergie ; 25 -la référence Eh représente le seuil haut en énergie ; -la référence TTL représente le signal TTL fourni par la sortie du comparateur 26; -la référence 28 représente un compteur incrémentai; -la référence At représente un pas d'horloge associé au compteur ; 30 -la référence N représente un nombre de coups enregistrés ; 3033900 21 -la référence 30 représente un dispositif algorithmique d'estimation du taux de comptage (contenant éventuellement un lisseur) ; et -la référence X représente une estimée du taux de comptage neutronique.

5 Le signal électronique issu du dispositif de conversion à gain 12 de la figure 4 est collecté sur une voie unique de traitement. Ce signal peut être adapté par l'électronique d'adaptation 20, et notamment être préamplifié si nécessaire, de façon à maximiser le Rapport Signal de scintillation sur Bruit électronique en intégrant les charges. Les impulsions de signal sont alors discriminées du bruit par le discriminateur 22, 10 pourvu d'un paramètre de niveau Sb, qui peut être un seuil d'amplitude, d'aire, de durée ou de tout autre critère pertinent (fraction constante), ainsi que par d'autres algorithmes de déclenchement (triggering en anglais). Le dispositif 24 réalise, sur chaque voie, l'évaluation de l'énergie déposée, correspondant à l'impulsion détectée : l'amplitude maximale en volts (si une préamplification a été réalisée) ou l'aire en volts-secondes est 15 déterminée et convertie en énergie via le coefficient de conversion adéquat, connu au moyen d'un étalonnage préalable. Le comparateur à seuils bas et haut 26 teste si l'énergie E est comprise entre les deux bornes en énergie Eb et Eh, déterminées comme pertinentes pour la détection du rayonnement des photons gamma de haute énergie, notamment des photons gamma de 6,75011 MeV, émis dans la cascade radiative (n,y) au 20 sein de l'isotope 157 du gadolinium. Selon que E se situe ou non entre les deux susdites bornes, le signal Tout ou Rien TTL est délivré en sortie du comparateur : 1 pour un coup, 0 pour aucun coup. Avec le pas temporel d'horloge At qui devra être optimisé au regard d'un compromis entre la précision (qui requiert le pas le plus faible possible) et le temps de réponse du dispositif de détection, ce compteur 28 s'incrémente de la sortie TTL, et 25 délivre un nombre total de coups N tous les At. On trouve ensuite le dispositif algorithmique 30 d'estimation du taux de comptage ?t, dans lequel il peut être utile, voire nécessaire en fonction des propriétés de la source neutronique et/ou de l'ambiance photonique, d'insérer un module de lissage ou lisseur, module qui peut se limiter au calcul d'une simple moyenne glissante ou être plus complexe et comporter, à titre 3033900 22 purement indicatif et nullement limitatif, un filtre non linéaire de type Skellam Centré. A ce sujet, on se reportera au document suivant : [10] US 2012/0318 998, On-line measurement method for ionising radiation, V. Kondrasovs, R. Coulon et S. Normand.

5 La figure 6 est une vue en coupe latérale schématique d'un deuxième mode de réalisation particulier du dispositif de comptage, objet de l'invention, correspondant à la deuxième configuration mentionnée plus haut. Sur cette figure 6, -la référence 32 représente une coquille contenant un scintillateur 10 plastique ; -la référence 34 représente un scintillateur inorganique ou plastique dont la constante de temps de décroissance est significativement différente de celle du scintillateur de la coquille 32; -la référence 36 représente un coeur solide, riche en gadolinium 15 (métallique, oxyde, cristal, ...), contenant le scintillateur 34; -la référence 38 représente un guide de photons (verre, fibre optique, --.) , -la référence 40 représente un ensemble réflecteur-isolant, entourant le scintillateur 34; 20 -la référence 42 représente un ensemble réflecteur-isolant entourant le coeur 36; -la référence 44 représente un ensemble réflecteur-isolant entourant la coquille 32, optionnellement complété par un blindage non représenté (acier, plomb, ...) contre le rayonnement X/gamma d'ambiance ou émis par la source neutronique (non 25 représentée) et/ou par une couverture thermalisante de neutrons (non représentée) ; -la référence 46 représente un ensemble réflecteur-isolant entourant le guide 38; -la référence 48 représente un dispositif de décalage de longueur d'onde, qui est optionnel ; 3033900 23 -la référence 50 représente un dispositif de conversion des photons émis dans le scintillateur de la coquille 32 en électrons de signal (photocathode, photodiode), associé à un système de multiplication de charges (par avalanche, ou par pont dynodique de photomultiplicateur) ; 5 -la référence 52 représente une alimentation de haute tension du dispositgif 50; -la référence 54 représente un dispositif électronique de traitement du signal fourni par le dispositif 50; et -la référence 56 représente une interface Homme-Machine, associée au 10 dispositif 54. Dans la deuxième configuration, le coeur riche en gadolinium est creux et contient à son tour un volume de scintillateur de quelque nature que ce soit (principalement, plastique ou inorganique). La figure 6 présente une mise en oeuvre possible d'un tel concept, dans lequel la récupération des photons de scintillation, 15 générés dans le scintillateur 34 intérieur au coeur riche en gadolinium 36 est effectuée au moyen du guide de photons 38, qui peut prendre par exemple, et non exhaustivement, la forme d'un verre ou d'une fibre optique, en fonction des dimensions du dispositif total. Lorsque le scintillateur intérieur 34 possède une réponse semblable à la coquille de scintillateur plastique extérieure 32, deux dispositifs de conversion des photons sont 20 nécessaires. Dans le cas décrit ci-dessous, on suppose que le scintillateur intérieur 34 est un plastique de constante de décroissance significativement distincte (d'au moins un ordre de grandeur par exemple) de celle de la coquille extérieure, ou un scintillateur inorganique, si bien qu'une discrimination par la forme des impulsions sera possible entre les deux voies, et donc que l'on fera l'économie d'un second dispositif de conversion à 25 gain des photons de scintillation en électrons de signal, seul le dispositif de conversion 50 étant nécessaire. Le scintillateur 34, le coeur 36 et la coquille 32 sont sphériques et concentriques. L'ensemble réflecteur-isolant 40 isole le scintillateur 34 du coeur 36. L'ensemble réflecteur-isolant 42 isole le coeur 36 de la coquille 32. L'ensemble réflecteur-isolant 44 isole la coquille 32 de l'extérieur.

3033900 24 Le schéma fonctionnel du dispositif électronique de traitement 54, permettant le comptage neutronique, est tel que représenté sur la figure 7. Sur la figure 7 : -la référence S représente le signal provenant du dispositif de 5 conversion de gain 50 (figure 6) ; -la référence 58 représente un dispositif électronique optionnel d'adaptation du signal S; -la référence SA réprésente le signal adapté ; -la référence 60 représente un dispositif de discrimination par la forme 10 des impulsions, comprenant deux voies ; -la référence El représente l'énergie de la première voie ; -la référence E2 représente l'énergie de la deuxième voie ; --les références 62, 64, 66 et 68 représentent des comparateurs à deux seuils d'énergie, à savoir un seuil haut et un seuil bas ; 15 -les références Ebl, Eb2, Eb3 et Eb4 représentent respectivement les seuils bas des comparateurs 62, 64, 66 et 68; -les références Ehl, Eh2, Eh3 et Eh4 représentent respectivement les seuils hauts des comparateurs 62, 64, 66 et 68; -les références TTL1 et TTL2 représentent les signaux TTL 20 respectivement fournis par les comparateurs 62 et 64; -la référence 70 représente une porte ET pour la détection d'événements coïncidents ; -la référence TTL3 représente le signal TTL fourni par cette porte ET (comparateur avec coïncidence) ; 25 -la référence 72 représente une porte OU; -la référence TTL4 représente le signal TTL fourni par cette porte OU (comparateur) ; -la référence 74 représente un compteur incrémental ; -la référence At représente un pas d'horloge associé au compteur 74; 30 -la référence N représente un nombre de coups enregistrés ; 3033900 25 -la référence 76 représente un dispositif algorithmique d'estimation du taux de comptage (lisseur) ; et -la référence X représente une estimée du taux de comptage neutronique.

5 Le dispositif de discrimination par la forme des impulsions 58 assure la discrimination et la quantification des énergies respectivement déposées dans les deux scintillateurs. La première voie recueille la contribution du signal issu du scintillateur à réponse rapide et la deuxième voie recueille la contribution du signal issu du scintillateur à réponse lente.

10 Les quatre comparateurs à seuils bas et hauts 62, 64, 66 et 68 sont montés en parallèle. On rappelle que dans une forte ambiance gamma, le seuil de discrimination des impulsions dues au captures radiatives sera élevé par rapport à celui qui est préconisé dans une ambiance plus faible, de façon à restaurer un Rapport du Signal neutronique sur le Bruit photonique, au prix d'une sensibilité réduite du détecteur.

15 Dans de telles conditions, les comparateurs 62 et 64, respectivement paramétrés par les seuils haut et bas Ebl-Ehl et Eb2-Eh2, assurent l'identification, sur les première et deuxième voies, indépendantes l'une de l'autre, d'une contribution en énergie, comprise entre deux bornes jugées pertinentes pour la détection. Ces bornes sont plus restrictives que les bornes adoptées dans la première configuration. Selon que El et E2 se situent ou 20 non entre les deux susdites bornes, deux signaux Tout ou Rien TTL1 ou TTL2 sont délivrés en sortie des deux comparateurs 62 et 64: 1 pour un coup, 0 pour aucun coup. Afin d'accroître la sensibilité réduite par la restriction éventuelle des bornes, une détection par coïncidence est mise en oeuvre par l'intermédiaire des deux comparateurs 66 et 68, respectivement paramétrés par les seuils Eb3-Eh3 et Eb4-Eh4. Lorsque El et E2 se situent 25 l'une et l'autre (condition obtenue grâce à la porte logique ET 70 de la figure 7) entre deux bornes retenues comme pertinentes pour une détection par coïncidence d'événements, le signal Tout ou Rien TTL3 prend la valeur 1; dans le cas contraire, il demeure à 0. Le signal TTL4, sur la valeur duquel est fondé le comptage, est fourni par la sortie de la porte logique OU 72 dont les trois entrées reçoivent respectivement les 30 va leurs TTL1, TTL2 et TTL3.

3033900 26 A titre purement indicatif et nullement limitatif, on a représenté sur la figure 8, un exemple de réalisation plus élaboré du dispositif de discrimination par la forme des impulsions 60 de la Figure 7. Sur la figure 8 : 5 -la référence SA représente le signal adapté ; -la référence 78 représente un discriminateur d'impulsion ; -la référence Sb représente un niveau de discrimination d'une impulsion par rapport au bruit électronique ; -la référence I représente une impulsion ; 10 -la référence 80 représente un convertisseur analogique-numérique ; -la référence IN représente une impulsion numérisée ; -la référence 82 représente un composant programmable quantifiant respectivement les charges attribuables aux première et deuxième voies ; -la référence t1 représente une borne temporelle pour le signal de la 15 première voie ; -la référence t2 représente une borne temporelle pour le signal de la deuxième voie ; -la référence 01 représente la charge extraite de la première voie ; -la référence 02 représente la charge extraite de la deuxième voie ; 20 -les références 84 et 86 représentent respectivement des convertisseurs de la charge en énergie ; -la référence K1 représente un coefficient de conversion de la charge de la première voie en énergie ; -la référence K2 représente un coefficient de conversion de la charge de 25 la deuxième voie en énergie ; -la référence El représente l'énergie de la première voie ; et -la référence E2 représente l'énergie de la deuxième voie. L'impulsion I est discriminée du bruit, grâce au discriminateur 78, par un paramètre de niveau Sb sur la voie unique, qui peut être un seuil en amplitude, en aire, 30 en durée ou tout autre critère pertinent (fraction constante), ainsi que par d'autres 3033900 27 algorithmes de déclenchement (triggering en anglais). Le convertisseur 80 assure la numérisation de l'impulsion I. La discrimination et la quantification entre la contribution du dépôt dans le scintillateur à constante de temps de décroissance rapide (première voie) et celle du dépôt dans le scintillateur à constante de temps de décroissance lente 5 (deuxième voie) est assurée dans le composant programmable 82. Ces discrimination et quantification sont fondées sur la forme des impulsions (PSD), par exemple et non exhaustivement par intersection de l'axe des abscisses (zero-crossing en anglais), fenêtrage temporel (temporal window en anglais), ou implémentation d'algorithmes récursifs (transformées en ondelettes ou régressions non linéaires). Dans l'exemple de la 10 Figure 8, on a adopté un fenêtrage temporel. La borne temporelle t1 limite la réponse de la voie rapide et la borne temporelle t2, celle de la voie lente. Les deux convertisseurs 84 et 86 réalisent, sur chaque voie, l'évaluation de l'énergie déposée, correspondant aux charges quantifiées 01 et 02 : l'amplitude maximale en volts ou l'aire en volts-secondes est déterminée et convertie en énergie par l'intermédiaire de coefficients de conversion 15 appropriés K1 et K2, connus au moyen d'un étalonnage préalable. On notera que l'économie d'un système de conversion des photons de scintillation en électrons de signal est contrebalancée par les moyens électroniques plus complexes, illustrés par les figures 7 et 8. Les exemples de l'invention, décrits plus haut, utilisent le gadolinium.

20 Toutefois, l'invention ne se limite pas à l'emploi du gadolinium : ce dernier peut être remplacé par le cadmium et les exemples décrits, adaptés en conséquence. En termes d'absorption neutronique et de signature, les propriétés du cadmium sont voisines de celles du gadolinium. 25

Claims (14)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif de détection de neutrons thermiques, caractérisé en ce qu'il comprend : -un coeur (2, 36), riche en gadolinium ou en cadmium, -une coquille (4, 32) en scintillateur plastique, qui enveloppe le coeur, et -un dispositif de conversion de photons (12, 50) qui présente une interface avec la coquille et qui convertit les photons de scintillation, issus de la coquille, en un signal représentatif de ceux-ci.
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le coeur (2, 36) et la coquille (4, 32) sont sensiblement sphériques et sensiblement concentriques.
3. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, comprenant en outre un premier ensemble (6, 42) de réflexion et d'isolation vis-à-vis des photons, entre le coeur et la coquille.
4. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant en outre un deuxième ensemble (8, 44) de réflexion et d'isolation vis-à-vis des photons, entourant la coquille (4, 32), sauf à l'interface entre celle-ci et le dispositif de conversion des photons (12, 50).
5. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le coeur (2) est plein.
6. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le coeur est creux et comporte une première zone interne qui est vide ou contient un matériau thermalisant, pour la thermalisation des neutrons. 3033900 29
7. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le coeur (36) est creux et comporte une deuxième zone interne (34) qui contient un matériau scintillateur. 5
8. 8. Dispositif selon la revendication 7, comprenant en outre un dispositif de récupération de photons, de préférence un guide de photons (38), pour récupérer les photons issus du matériau scintillateur, contenu dans la zone interne que comporte le coeur. 10
9. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, comprenant en outre un troisième ensemble (40) de réflexion et d'isolation vis-à-vis des photons, entre la deuxième zone interne (34) et le reste du coeur (36).
10. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, dans 15 lequel l'une des constantes de temps de décroissance respectives du scintillateur plastique de la coquille (32) et du matériau scintillateur de la deuxième zone interne (34) est au moins deux fois supérieure à l'autre.
11. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, dans 20 lequel l'une des constantes de temps de décroissance respectives du scintillateur plastique de la coquille et du matériau scintillateur de la deuxième zone interne est inférieure à deux fois l'autre, et le dispositif de détection comprend en outre un autre dispositif de conversion de photons qui convertit les photons de scintillation, issus du matériau scintillateur, en un signal représentatif de ceux-ci. 25
12. 12. Dispositif de comptage de neutrons thermiques, comprenant : -le dispositif de détection de neutrons thermiques selon la revendication 1, et 3033900 -un dispositif de traitement de signal (16, 54) qui fournit un signal de comptage de neutrons thermiques à partir du signal représentatif des photons de scintillation. 5
13. 13. Dispositif selon la revendication 12 et l'une quelconque des revendications 5 et 6, dans lequel le dispositif de traitement de signal (16) comprend : -un discriminateur d'impulsions (22) qui fournit une impulsion dès lors que le signal représentatif des photons de scintillation est supérieur à un seuil prédéfini, -un dispositif d'évaluation d'énergie (24) qui calcule une valeur 10 d'énergie associée à l'impulsion fournie, -un comparateur à double seuil (26) qui compare la valeur d'énergie à un intervalle d'énergies, ces énergies étant déterminées comme étant pertinentes pour la détection d'un rayonnement gamma de haute énergie, et qui fournit des signaux logiques de niveau haut et de niveau bas, selon que la valeur d'énergie appartient, ou non, à 15 l'intervalle d'énergies, et -un compteur incrémental (28) qui compte, sur une durée prédéfinie, les signaux logiques de niveau haut.
14. 14. Dispositif selon la revendication 12 et la revendication 10, dans 20 lequel le dispositif de traitement de signal (54) comprend : -un discriminateur par la forme des impulsions (60), qui discrimine et quantifie des première et deuxième valeurs d'énergie, respectivement déposées dans le scintillateur plastique de la coquille (32) et dans le matériau scintillateur de la deuxième zone interne (34), 25 -des premier, deuxième, troisième et quatrième comparateurs à double seuil (62, 64, 66, 68), les premier et troisième comparateurs (62, 66) étant associés à la première valeur d'énergie, les deuxième et quatrième comparateurs (64, 68) étant associés à la deuxième valeur d'énergie, -chacun des premier et deuxième comparateurs (62, 64) comparant la 30 valeur d'énergie, qui lui est associée, à un intervalle d'énergies, ces énergies étant 3033900 31 déterminées comme étant pertinentes pour la détection d'un rayonnement gamma de haute énergie, et fournissant des signaux logiques de niveau haut et de niveau bas, selon que la valeur d'énergie associée appartient, ou non, à cet intervalle d'énergies, -chacun des troisième et quatrième comparateurs (66, 68) comparant la 5 valeur d'énergie, qui lui est associée, à un intervalle d'énergies, ces énergies étant déterminées comme étant pertinentes pour une détection par coïncidence d'événements, et fournissant des signaux logiques de niveau haut et de niveau bas, selon que la valeur d'énergie associée appartient, ou non, à cet intervalle d'énergies, -une première porte logique (70) qui fournit un signal logique de niveau 10 haut lorsque les valeurs d'énergie associées aux troisième et quatrième comparateurs (66, 68) appartiennent respectivement aux intervalles d'énergies correspondants, et sinon un signal logique de niveau bas, -une deuxième porte logique (72) qui reçoit les signaux fournis par les premier et deuxième comparateurs (62, 64) et par la première porte logique (70), et 15 fournit un signal logique de niveau haut lorsqu'au moins l'un des signaux logiques qu'elle reçoit est au niveau haut, et -un compteur incrémental (74) qui compte, sur une durée prédéfinie, les signaux logiques de niveau haut, fournis par la deuxième porte logique. 20