Studies of the spallation reaction p+Au at 2.5 GeV and a study of neutron production out of thick targets (Pb, W and Hg) by protons from 0.4 to 2.5 GeV
Etudes de la réaction de spallation p+Au à 2.5 GeV et de la production neutronique en cibles épaisses (Pb,W et Hg) par des protons de 0.4 à 2.5 GeV
Résumé
The aim of this work is twofold : a study of the spallation reaction p+Au at 2.5 GeV and a study of neutron production out of thick targets. These two studies are part of a research program initiated within the framework of the European Spallation Source (ESS) project and of the french project of management of radioactive nuclear wastes by new approaches (GEDEON). Using both a high efficiency neutron detector and high granularity, high efficiency charged particle detectors, we have studied the evolution of the elementary spallation process as a function of the energy deposited by the incident proton in the nucleus (excitation energy). We have shown that the description of spallation by a two-step process is appropriate and have validated the use of the intranuclear cascade code of J. Cugnon (INCL2.0) coupled with a statistical deexcitation code (GEMINI). The production cross sections of light charged particles have been measured and the contribution of preequilibrium emission has been estimated. The formation of the ``direct'' composite particles has been implemented in the INCL2.0 code using a coalescence model. The neutron production (average multiplicities and distributions) has been studied as a function of the beam energy, of the target geometry and of the nature of the target material. We have shown that the gain in neutrons is dominated by the reaction probability when increasing the target thickness (for thicknesses lower than 2 or 3 lengths of interaction) and to a lesser extend by the development of secondary reactions. These two quantities have been investigated separately. The experimental data have been compared with the results of the HERMES transport code, validating its use for the neutron emission.
Le travail de thèse s'articule autour de deux études : étude de la réaction de spallation p+Au à 2.5 GeV et étude de la production neutronique en cibles épaisses. Ces deux études s'inscrivent dans un programme de recherche initié dans le cadre du projet de Source Européenne de Spallation (ESS) et du projet français de traitement des déchets radioactifs (GEDEON). A l'aide d'un dispositif expérimental très complet alliant un détecteur de neutrons à des détecteurs de particules chargées, tous deux d'efficacité supérieure à 80\%, nous avons pu étudier l'évolution du processus élémentaire de spallation en fonction de l'énergie déposée par le proton incident dans le noyau (énergie d'excitation). Nous avons ainsi montré le réalisme d'une description du processus en deux étapes et validé l'utilisation du code de cascade intra-nucléaire de J. Cugnon (INCL2.0) couplé à un code de désexcitation statistique (GEMINI). Les sections efficaces de production des particules chargées légères ont été mesurées et la contribution de l'émission de prééquilibre évaluée. La formation des particules composites ``directes'' a été ajoutée au code INCL2.0 à l'aide d'un modèle de coalescence. La production neutronique (multiplicités moyennes et distributions) a été étudiée en fonction de l'énergie du faisceau, de la géométrie de la cible et de la nature de la cible. Nous avons montré que le gain en neutrons, lorsque l'épaisseur de cible augmente, est dominé par la probabilité de réaction (pour des épaisseurs de cibles inférieures à 2 ou 3 longueurs d'interaction) et d'une façon moindre par le développement des réactions secondaires. Ces deux paramètres ont été étudiés séparément. Les données expérimentales ont été comparées aux résultats du code de transport HERMES, validant celui-ci pour l'émission de neutrons.