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Mesures de radiopureté et R&D Radon

Depuis le début du projet, le groupe du CENBG a la responsabilité des mesures de radio-pureté dans la collaboration SuperNEMO. La mesure et la sélection des matériaux suivant leur radiopureté sont des étapes indispensables dans le cadre d’une expérience de recherche de la désintégration ββ(0ν) telle que SuperNEMO. En effet, l’énergie de ce processus pour le 82Se est de l’ordre de 3 MeV, c’est-à-dire dans le domaine en énergie de la radioactivité naturelle. Les deux principaux radionucléides capables de mimer un événement de double désintégration bêta sans émission de neutrino sont le 214Bi (Qβ =3,27 MeV, descendant de l’uranium-238) et le 208Tl (Qβ =5,00 MeV, descendant du thorium-232). Ces « polluants » peuvent se trouver en volume dans les matériaux mais également venir contaminer l’intérieur du détecteur et les feuilles sources ββ à cause du radon, un gaz rare radioactif situé dans les chaînes radioactives de 238U (222Rn appelé radon) et du 232Th (220Rn appelé thoron). Nous présentons ci-dessous les développements réalisés pour ces deux sources de bruit de fond.

Mesures de radio-pureté par spectrométrie gamma bas bruit de fond

Pour caractériser l’activité des matériaux en bismuth-214 et thallium-208, entre autres, le groupe possède une longue expérience dans les mesures par spectrométrie gamma dite « bas bruit de fond » utilisant des détecteurs au Germanium co-développés avec l’entreprise Canberra pour la sélection des matériaux du détecteur lui-même. Nous disposons ainsi d’un parc de six détecteurs capables de mesurer la radiopureté de tous les matériaux du projet SuperNEMO, excepté celle des feuilles sources ββ pour lesquelles un détecteur dédié, appelé BiPo, a été en grande partie conçu au LAL. Le groupe, en charge de ces mesures dans la collaboration SuperNEMO, a ainsi pu qualifier et sélectionner près de 200 matériaux depuis 2009 dans les différentes parties du démonstrateur (calorimètre, chambre à fils, cadre des sources, détecteur BiPo, électronique...). Suivant la sensibilité requise, l’échantillon est mesuré :
- au CENBG dans la plateforme PRISNA (voir la description dans ce volume) avec une sensibilité ultime de l’ordre de 60 mBq/kg en 214Bi et 20 mBq/kg en 208Tl (échantillon de 100 g, mesure d’une semaine) pour les matériaux les moins critiques et pour faire une présélection,
- au Laboratoire Souterrain de Modane (LSM) avec une sensibilité ultime de 0,2 mBq/kg en 214Bi et 0,05 mBq/kg en 208Tl (échantillon de 1 kg, mesure d’un mois) pour les matériaux les plus critiques du démonstrateur de SuperNEMO.

Dans le cadre de l’ANR BiPo en particulier [ANR-06-BLANC (2006- 2009)], la sélection rigoureuse des matériaux des prototypes BiPo1/BiPo2 puis du détecteur final BiPo3 actuellement en cours de mesure au Laboratoire Souterrain de Canfranc (LSC) a permis d’atteindre les objectifs de radio-pureté en 208Tl pour la qualification des feuilles ββ

R&D de détecteurs Germanium

Le groupe a participé à la conception et à la réalisation d’un détecteur Germanium de type coaxial de 600 cm3 ultra-bas bruit de fond en collaboration avec l’entreprise Canberra. L’expertise du groupe a permis la sélection des matériaux les plus purs et l’obtention d’un excellent bruit de fond. Le détecteur, financé par les collègues tchèques et russes, est en fonctionnement au laboratoire souterrain de Modane depuis 2011 et est utilisé pour la mesure d’échantillons de gros volume pour SuperNEMO.

  • R&D sur le Radon

Le radon 222Rn (resp. thoron 220Rn) est à l’origine du 214Bi (resp. 208Tl). C’est un gaz rare radioactif présent dans l’air à des niveaux de l’ordre de quelques Bq/m3 (resp. 0,1 Bq/m3). Dans le cadre du démonstrateur de SuperNEMO, le niveau maximum requis en 222Rn dans la chambre à fils est de 0,15 mBq/m3, soit 3 ordres de grandeur inférieur au niveau naturel. La collaboration SuperNEMO travaille sur plusieurs aspects de mesure et de prévention du radon. Notre groupe au CENBG travaille plus spécifiquement sur deux thématiques du radon :
- le développement de détecteurs de radon/thoron bas bruit de fond (technique électrostatique et scintillation liquide) pour un contrôle du gaz en sortie du démonstrateur,
- le développement d’une chambre d’émanation en radon/thoron pour sélectionner les matériaux critiques du démonstrateur.

Les détecteurs de type électrostatique ont été utilisés jusqu’en 2010 pour contrôler le niveau de radon dans la chambre à fils de NEMO3 avec une sensibilité de quelques mBq/m3. Ce contrôle a permis de sélectionner les données à faible niveau de radon pour l’analyse NEMO3. Ces détecteurs ont cependant une sensibilité insuffisante pour la spécification du projet SuperNEMO, notamment du fait de leur bruit de fond. C’est pourquoi, dans le cadre de la thèse de T.C.H. Nguyen, nous avons mené une étude sur la radiopureté des matériaux de ce détecteur (diode, cuve en inox) et montré que les matériaux contribuaient à environ 50% de son bruit de fond en radon. Nous avons également étudié la dépendance de la réponse de ces détecteurs en fonction de plusieurs paramètres : tension de collection appliquée, température, humidité et débit du gaz, présence d’alcool afin d’obtenir une efficacité optimale dans les conditions de mesure de SuperNEMO. Une étude inédite de la réponse de ces détecteurs à la mesure thoron, isotope du radon très difficile à mesurer du fait de sa très courte demi-vie, a également été réalisée pour permettre sa quantification.

Une autre technique a été développée au CENBG consistant en la mesure du radon par scintillation liquide. Le radon étant extrêmement soluble dans les liquides organiques, il est possible de piéger la majeure partie du radon de l’air ou du gaz de SuperNEMO dans un liquide scintillant puis de mesurer sa désintégration in situ afin de déterminer son activité.

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Conteneur pour le liquide scintillant seul, puis couplé à un PM 3’’ et entouré d’un blindage en plomb.

Des tests préliminaires avec un liquide organique appelé LAB (Linear AlkylBenzene) ont permis d’obtenir une très bonne résolution en énergie, de l’ordre de 8% à 1 MeV. Dans cette technique, le radon (thoron), une fois piégé dans le scintillateur, est mesuré indirectement par la désintégration radioactive de ses descendants 214Bi (212Bi) et 214Po (212Po) qui possèdent une signature très précise consistant en une cascade électron-α (effet BiPo).

Les détecteurs de type électrostatique ont été utilisés jusqu’en 2010 pour contrôler le niveau de radon dans la chambre à fils de NEMO3 avec une sensibilité de quelques mBq/m3. Ce contrôle a permis de sélectionner les données à faible niveau de radon pour l’analyse NEMO3. Ces détecteurs ont cependant une sensibilité insuffisante pour la spécification du projet SuperNEMO, La scintillation liquide possède l’avantage de discriminer les signaux issus d’un électron et d’un α. Des mesures effectuées avec le thoron ont démontré un excellent bruit de fond par cette technique et une possibilité de mesure avec une grande sensibilité. Pour le radon, les développements sont en cours pour atteindre la sensibilité ultime de 0,15 mBq/m3.

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-Mesure et discrimination des événements « électron » et « alpha » du radon et des descendants en fonction du rapport charge totale/charge partielle.

Nous avons enfin développé un dispositif capable de mesurer l’émanation en radon d’échantillons volumineux et critiques pour le démonstrateur de SuperNEMO. L’échantillon est placé pendant 3 semaines dans une cuve en acier électro-poli (chambre d’émanation) de 0,7 m3 remplie d’azote.

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Photo de la cuve d’émanation (haut) et du détecteur électrostatique (bas).

Une fraction de 10% de ce gaz est ensuite transférée dans un détecteur électrostatique pour mesurer la décroissance du radon émané. Pour un échantillon typique de l’ordre de 10 m2, une sensibilité de 0,02 mBq/m2/j est atteinte, suffisante pour sélectionner en radon la majorité des matériaux de SuperNEMO, dont ceux situés dans la chambre à fils.

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Mesure d’émanation de radon d’un échantillon de polyéthylène noir (points bleus) par rapport au bruit de fond du dispositif (zone grisée).