Etude de faisabilité du développement d’un bolomètre magnétique de haute résolution en énergie pour la spectrométrie des photons X et gamma

Cette étude a fait l’objet d’un stage de DEA dont le succès a conduit à poursuivre par une thèse, débutée en octobre 2004, dont l’objectif est le développement d’un bolomètre magnétique haute résolution en énergie pour la spectrométrie X et gamma. 

L’enjeu d’un tel développement pour la métrologie des rayonnements ionisants est d’introduire un principe physique fondamentalement différent de celui des détecteurs conventionnels  pour diminuer les incertitudes sur la détermination des données atomiques telles que les probabilités d’émissions de certains nucléides dont les données publiées à ce jour ne sont pas cohérentes (²³⁹Pu, ²⁴⁰Pu, ²⁴¹Pu, …). Ces données atomiques sont nécessaires en particulier pour déterminer la composition isotopique d’actinides par spectrométrie gamma lorsque l’analyse par spectrométrie alpha ne peut pas être utilisée (cas des sources volumiques telles que fûts de déchets, installations à démanteler, etc …). Diminuer les incertitudes sur les probabilités d’émission des photons des actinides nécessite d’une part de repousser les limites de résolution en énergie en dessous de celles des meilleurs détecteurs en germanium pour séparer les nombreuses raies correspondant à l’émission de photons d’énergie voisine. D’autre part, il est important d’améliorer le rapport d’absorption photoélectrique sur l’interaction Compton afin que les raies correspondant à l’émission de faibles énergies ne soient pas noyées dans le fond du spectre dû principalement à l’interaction Compton des photons plus énergétiques dans le détecteur.

Pour répondre à ces deux contraintes, l’idée est de concevoir un bolomètre magnétique à cible en or, donc de numéro atomique Z élevé (effet photoélectrique proportionnel à Z^4,5), de capacité calorifique permettant d’obtenir une résolution en énergie égale à 400 eV pour des photons de 200 keV. Ce détecteur représente un volume plus grand de 3 ordres de grandeur par rapport à celui du microcalorimètre 4 pi construit pour la mesure de ⁵⁵Fe. 

Le code de simulation Monte Carlo Penelope a été utilisé pour comparer les spectres d’absorption dans une cible en Au (diamètre 4 mm, épaisseur 300 µm, rendement quantique égal à 84 % à 122 keV) et dans une cible en germanium (diamètre 20 mm, épaisseur 25 mm, rendement quantique égal à 40 % à 122 keV) d’une source volumique d’un mélange isotopique d’oxyde de plutonium. Les résultats montrent qu’il est possible de gagner un facteur 5 à 6 sur le rapport pic d’absorption photoélectrique sur fond du spectre dans la gamme d’énergie de 100 keV à 200 keV. 

Pour atteindre la limite de résolution en énergie du bolomètre donnée par les fluctuations thermodynamiques d’énergie entre le détecteur et le bain thermique, il faut s’assurer que le bruit magnétique, dû à l’agitation thermique des électrons dans l’absorbeur et le senseur, ne dégrade pas de façon importante la résolution en énergie. Un banc de mesure comprenant un senseur, un magnétomètre de lecture (SQUID), une bobine pour créer le champ magnétique et une bobine de lecture du signal, est en cours d’intégration dans un cryostat permettant de descendre à 4 K. Le principe est simple : en absence du champ, seul le bruit magnétique est mesuré, en présence du champ, le bruit thermodynamique s’ajoute au bruit magnétique. Les premières mesures auront lieu en 2005 à 4 K puis à une température inférieure à 50 mK. Les résultats permettront de définir la géométrie optimale du détecteur pour obtenir la meilleure résolution en énergie. 

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