FALSTAFF double la mise : premières mesures en coïncidence au GANIL
FALSTAFF a pris ses quartiers d’été à NFS/SPIRAL2 (Neutrons For Science) au GANIL à Caen pour la mesure simultanée des deux fragments issus de la fission de l’uranium-235 induite par neutrons. Ce spectromètre a été conçu et réalisé par une équipe de physiciens, ingénieurs et techniciens du CEA et de l’IN2P3 (DPhN, GANIL, DEDIP et DIS). Équipé d’un seul bras jusqu’en 2025, un second bras est venu compléter FALSTAFF pour la récente prise de données à l’été 2026. C’est donc une première mesure en coïncidence pour ce spectromètre dédié à la caractérisation des fragments de fission.
La réaction de fission induite par des neutrons thermiques a beaucoup été étudiée depuis 80 ans, mais les données à plus haute énergie sont rares. Dans le cadre du regain d’intérêt pour l’énergie nucléaire, dont celui pour les réacteurs rapides, les études fondamentales sont indispensables pour améliorer la précision des simulations afin de relever les défis posés par le développement de nouveaux concepts de réacteurs, le développement durable, la sûreté et la gestion des déchets, etc. Les modèles de fission et de désexcitation, qu’ils soient phénoménologiques ou microscopiques, connaissent aussi un intérêt renouvelé. Cependant, leur capacité à prédire les observables de fission restent modeste et de nouvelles données expérimentales sont nécessaires à leur développement. C’est dans ce cadre que de nouveaux programmes expérimentaux amont ont vu le jour. Grâce, entre autres, à l’installation NFS/SPIRAL2, des études peuvent être étendues au domaine des neutrons rapides.
C’est le cas du spectromètre FALSTAFF, qui permet d’étudier en détail la fission, mécanisme complexe auquel participent les effets de déformation à la scission, les effets de structure, la dynamique et bien d’autres phénomènes. Le nouveau spectromètre mesure la vitesse et l’énergie des fragments, variables qui permettent, entre autres, de reconstruire des observables telles que la masse des fragments avant et après évaporation des neutrons, d’en déduire la multiplicité des neutrons émis et d’étudier le partage de l’énergie d’excitation. Les résultats expérimentaux pré-évaporation seront utilisés comme données d’entrée pour le code FIFRELIN, code dédié à la désexcitation des fragments de fission, développé au CEA/IRESNE. Les résultats expérimentaux post-évaporation seront comparés aux prédictions du même code. L’ensemble des informations recueillies est aussi nécessaire à la réalisation de bases de données nucléaires utilisées pour la modélisation des réacteurs rapides.
La très bonne stabilité du spectromètre observée pendant les différentes périodes de mesures de l’été 2026 s’explique par le travail technique intensif réalisé sur la version complète de FALSTAFF ces deux dernières années. Ce résultat prometteur permet d’envisager d’autres expériences à NFS pour la caractérisation des fragments de fission d’autres actinides dont l’uranium-238, le plutonium-239, le neptunium-237, l’uranium-233 et le thorium-232.
Le spectromètre FALSTAFF [1], dans sa version complète avec deux bras, a été installé dans la salle de temps de vol de NFS en avril 2026. Sur la Fig. 1 les deux bras (bleu et rose) sont placés de chaque côté de la partie centrale qui accueille la cible d’uranium-235.
Fig. 1 Photographie des deux bras du spectromètre FALSTAFF dans la salle de
temps de vol de NFS-SPIRAL2 (à gauche) et schéma de l’ensemble de détection (à droite).
Le faisceau de neutrons [2] produits par l’interaction d’un faisceau de deutons avec une cible de 9Be épaisse[1], sort du collimateur encastré dans le mur derrière FALSTAFF. Le spectre en énergie de neutrons très large ainsi produit et utilisé avec FALSTAFF couvre des énergies de l’ordre de quelques centaines de keV jusqu’à 40 MeV avec une intensité maximale à 15 MeV de 2 x 106 n/cm2/s à l’endroit de la cible de FaLSTAFF placée à 5 m du convertisseur.
La cible très fine (195 mg/cm2) d’uranium-235, prêtée par le JRC-Geel (Belgique), permet aux deux fragments de fission de sortir après l’interaction en ayant perdu très peu d’énergie cinétique. Les fragments, émis dos-à-dos sur 4p, peuvent ensuite être détectés avec une efficacité géométrique d’environ 0,35 % par les ensembles de détection identiques installés sur chacun des bras de FALSTAFF. Cette faible couverture géométrique est compensée par une grande efficacité de détection intrinsèque et un flux de neutrons incidents élevé. Chacun de ces ensembles (Fig. 2) est constitué de deux détecteurs Sed-MWPC[2] [3] pour la mesure du temps de vol et de la position afin de déterminer la vitesse. Une chambre à ionisation axiale, placée derrière les Sed-MWPC et dans laquelle les fragments sont arrêtés, assure la mesure de l’énergie cinétique résiduelle.
Les détecteurs Sed-MWPC sont composés d’une feuille émissive (0,5 mm de mylar aluminisé, la composition du mylar étant similaire au film alimentaire) à laquelle des électrons sont arrachés par le passage des fragments. Ces électrons sont ensuite dirigés par un champ électrostatique vers un compteur proportionnel à fils. Ce dernier composé d’une anode et d’une cathode segmentée fonctionne avec de l’isobutane basse pression (6 mbar) et permet la mesure en position avec une résolution spatiale (écart type s) de 2 mm et une mesure du temps de passage des fragments d’une résolution temporelle (écart type s) de ~200 ps. Le dernier élément du dispositif, les chambres à ionisation axiales, ont une fenêtre mince de mylar aluminisé de 0.9 mm et sont remplies d’isobutane à 30 mbar. Un champ électrique parallèle à la direction des fragments dans le gaz est appliqué et le signal sur l’anode est enregistré en fonction du temps d’arrivée avec une résolution en énergie DE/E de 1%. Le profil de perte d’énergie des fragments dans le gaz est ainsi reconstruit et devrait permettre de remonter à l’identification de la charge nucléaire du fragment.
Les très bonnes résolutions temporelles, spatiales et en énergie atteintes sont nécessaires pour obtenir une bonne résolution sur les masses pré- et post-évaporation pour les fragments lourds et légers et déterminer correctement la corrélation entre la multiplicité des neutrons émis et la masse du fragment. Cette observable, directement reliée à l’énergie d’excitation du fragment, participe au bilan énergétique de la réaction. Cette information, en plus de permettre l’amélioration des modèles, est très importante pour la construction des bases de données qui sont ensuite utilisées dans les simulations de différents scénarios de réacteurs.
Fig. 3 Temps de vol des fragments de l’uranium-235 dans FALSTAFF pour différentes énergies de neutrons incidents. L’unité est proportionnelle au temps de vol. Le premier pic correspond aux fragments les plus rapides (les fragments dits légers) et le second aux fragments dits lourds, les plus lents.
Sur la Fig. 3 une analyse préliminaire permet de voir l’évolution du temps de vol des fragments entre les deux détecteurs Sed-MWPC en fonction de l’énergie des neutrons incidents. La vallée entre les deux pics provient des fissions symétriques dont la probabilité augmente avec l’énergie incidente du neutron. Ce comportement attendu est aussi visible sur les distributions en énergie.
La prise de données s’est étalée sur quelques semaines réparties en juin, juillet et août. Durant toute cette période la réponse du détecteur est restée stable ce qui est particulièrement remarquable pour ces types de détecteurs. C’est en grande partie grâce au travail réalisé sur l’automatisme de la gestion du vide, des pressions de gaz et des tensions que FALSTAFF a pu atteindre une telle stabilité. Ce succès est prometteur pour les futures expériences envisagées à NFS sur d’autres actinides tels que l’uranium-238, le plutonium-239, le neptunium-237, l’uranium-233 et le thorium-232.
Contacts: Jean-Eric Ducret (GANIL) and Diane Doré (IRFU/DPhN, CEA-Paris-Saclay)
References
[1] First experiment with Falstaff at NFS, January 2023
[2] First converter towers of NFS at Spiral2, July 2018
[3] J. Pancin et al., « A new design of secondary electron detector for low-energy radioactive ion beam », Nuclear Instruments and Methods A1092 (2026) 171816.
Notes
[1] « Épaisse » s’entend ici en comparaison du libre parcours moyen d’un deuton de 40 MeV d’énergie cinétique dans du béryllium, quelques dizaines de µm.
[2] MWPC : multi-wire proportional chamber, ou chambre proportionnel multifils en français.