Mars en neutrons
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Mars en neutrons Programme terminale S 2012 Notions et contenus Détecteurs d’ondes et de particules. Compétences attendues Pré requis Extraire et exploiter des informations sur : Des sources d’ondes et de particules et leurs utilisations ; Un dispositif de détection Scénario Curiosity s’est posé le 6 août 2012 dans le cratère de Gale sur Mars. Parmi les objectifs, déterminer à partir de l’analyse du premier mètre de sol, si le site a pu être une région favorable à la vie microbienne et si des traces de cette vie éventuelle s’y trouvent toujours… Mission 1 : De l’eau sur Mars (Extraire l’information) Consigne : La NASA a fait appel à vos services pour intégrer un prototype de sonde à neutrons (DAN) aux instruments du MSL. A l’aide des documents suivants, rédiger une argumentation justifiant : - votre choix technologique (chambre d’ionisation, proportionnel, Geiger-Müller) lié au cahier des charges de D.A.N. - Le choix de la NASA de disposer d’une source de neutrons indépendante des rayons cosmiques Sources de neutrons Document 1 Il existe plusieurs façons d’obtenir des neutrons pour analyser le sol martien. En 2001, l’orbiteur Mars Odyssey, disposait de deux sondes (NS et HEND) chargées d’enregistrer les flux de neutrons de différentes énergies issus de la surface de Mars. En effet le rayonnement cosmique qui irradie le sol martien, interagit avec les éléments constitutifs de ses couches supérieures en produisant neutrons et photons gamma. Le Rover qui s’est posé le 6 août dernier, transporte à son bord l’appareil russe DAN (Dynamic Albedo of Neutrons) capable lui, de générer sa propre source de neutrons. Un mélange d’américium de Bérylium cette source. 9 4 241 95 http://www.nirgal.net/schemas/mars_odyssey_neutrons.html Am et Be peut constituer 4 L’isotope d’américium est instable, il émet des particules alpha ( 2 He ) selon la réaction : Les noyaux de béryllium bombardés par les particules alpha donnent lieu à la réaction : 9 4 241 95 Am 24 He 237 93 Np Be 24He 01 n 126C Les neutrons ont une énergie pouvant atteindre 14 Mev mais leur valeur moyenne est d’environ 4,5 MeV (Neutrons rapides). Frédéric Dargent Lycée la Trinité Béziers Le détecteur D.A.N. (Dynamic Albedo of Neutrons) Document 2 http://l503.iki.rssi.ru/DAN-en.html Les 2 détecteurs de neutrons http://mars.jpl.nasa.gov/multimedia/images/?ImageID=3675 Le spectromètre D.A.N. est équipé de deux blocs séparés : - un bloc générant un flux de neutrons (107 neutrons/impulsion) rapides mono énergétiques (14 Mev) - un bloc pour le comptage des neutrons lents ou neutrons thermiques d’énergie < 0,4 eV - un bloc pour le comptage simultané des neutrons thermiques et épithermiques (16 plages de mesure d’énergie comprises entre 1meV et 100 keV). Générateur de neutrons http://l503.iki.rssi.ru/DAN-en.html http://marsoweb.nas.nasa.gov/landingsites/msl/workshops/data_clean/Mitrofanov_invest_3_2 8_135530.pdf Exposé de la méthode Document 3 La mesure neutronique de la teneur en eau du sol repose sur les propriétés de réflexion que possèdent les molécules d'eau à l'égard d'un flux de neutrons. Rappelons que parmi les divers éléments que l'on trouve dans le sol, ce sont les atomes d'hydrogène qui possèdent le noyau dont la masse est la plus proche de celle du neutron. Les deux parties essentielles d'une sonde à neutrons, isolées l'une de l'autre, sont l'émetteur et le détecteur de neutrons. Elles sont fixées à un câble qui transmet les impulsions électriques émises par le détecteur à un compteur. […] Lorsque la sonde est en place dans le sol 1, des neutrons rapides sont émis par la source (mélange d’américium et de béryllium) dans toutes les directions. Ils se heurtent au noyau des divers atomes qui se trouvent sur leur trajectoire et voient ainsi leur énergie cinétique et leur vitesse diminuer progressivement. Si le sol présente une concentration d'atomes d'hydrogène suffisante, le ralentissement des neutrons émis par la source se produit alors qu'ils se trouvent encore à proximité de celle-ci. Les neutrons ralentis par collisions successives se propagent dans des directions aléatoires, si bien qu'il se forme un nuage neutronique dont la densité est plus ou moins constante. Une partie de ces neutrons, qui dépendent de la concentration en atomes d'hydrogènes, sont renvoyés directement en direction du détecteur en créant des impulsions. Le nombre d'impulsions pendant un intervalle de temps est enregistré par un compteur. La conversion de la valeur enregistrée par le compteur en une teneur en eau se fait par le biais d'une courbe d'étalonnage. Cette technique a l'avantage de permettre des mesures rapides et répétées sur un site sans perturbation du sol et avec une bonne précision. André Musy,Christophe Higy Hydrologie: Une science de la nature p 228 1 - Il existe des sondes conçues pour fonctionner en surface Frédéric Dargent Lycée la Trinité Béziers http://mars.jpl.nasa.gov/msl/images/dan-water_ice_diagram.jpg Principe de fonctionnement d’un détecteur Sonde à neutrons de profondeur. http://www-pub.iaea.org/MTCD/publications/PDF/TCS-16F-2_web.pdf p 11/76 Document 4 Considérons une enceinte métallique contenant un gaz au centre de laquelle se trouve un fil central conducteur, rigide et protégé par un isolant et qui traverse la paroi externe. Ce fil appelé anode est relié au pôle positif d’une alimentation en haute tension et la paroi extérieure appelée cathode est reliée au pôle négatif. C’est le concept d’un détecteur à gaz. Tout rayonnement pénétrant dans le détecteur et y cédant toute ou partie de son énergie va créer un certain nombre de paires « électron-ion ». Sous l’action du champ électrique régnant dans le détecteur, les électrons seront attirés vers l’anode et les ions positifs vers la cathode. Les électrons, plus léger que les ions positifs donc plus mobiles, sont collectés les premiers. Le régime de fonctionnement du détecteur est fonction du champ électrique et donc de la différence de potentiel V entre l’anode et la cathode. En prenant comme paramètre l’amplitude des impulsions générées par la charge collectée en fonction de la haute tension (HT) appliquée aux bornes du détecteur, on met en évidence 6 zones de fonctionnement (Document 4 bis). Cette dernière est une figure de principe, car les détecteurs du commerce sont généralement conçus pour fonctionner dans un seul des principaux régimes de fonctionnement (chambre d’ionisation, compteur proportionnel ou Geiger-Müller). Abdallah Lyoussi Détection de rayonnements et instrumentation nucléaire p 66 Document 4 bis Variation de la hauteur d’impulsion (nombre de charges collectées) en fonction de la haute tension appliquée aux bornes du détecteur. Abdallah Lyoussi Détection de rayonnements et instrumentation nucléaire p 67 Total Recall - (1990) Frédéric Dargent Lycée la Trinité Béziers Zone 1 : Tension faible, tout ou partie des paires électrons-ions crées se recombinent avant d’être collecté par les électrodes. Zone 2 : Phénomène de recombinaison négligeable, toutes les charges créées (électrons et ions) sont collectées. Le courant recueilli est cependant très faible, et une électronique performante doit être utilisée pour réduire l’importance des perturbations non dues au signal à mesurer. Zone 3 : Les électrons crées ont suffisamment d’énergie pour générer de nouvelles paires électron-ion (création en cascade). Le signal obtenu est proportionnel au nombre de paires électrons ions initialement formées au passage de la particule, et donc à l’énergie cédée au milieu gazeux. Zone 4 : Les courbes correspondant à des particules de nature et d’énergie différente se confondent à partir de V G. Zone 5 : Les paires électron-ion qui apparaissent sont indépendantes du nombre de paires initialement créées par la particule. Pas d’identification possible des particules détectées, seul le nombre de particule est accessible. Zone 6 : Instabilité du compteur, décharges permanentes. Document 5 : animations sur le fonctionnement d’un détecteur à gaz http://spiral.univ-lyon1.fr/files_m/M5423/WEB/Interaction%20Rayonnement%20Mati%E8re/anim/ionisation.swf Animation Laboratoire de Physique Corpusculaire de CAEN simulant le fonctionnement d’un détecteur gazeux à fil http://caeinfo.in2p3.fr/IMG/Flash/anims/detection/detection2/gaz2/anim2. swf Remarque : erreur sur l’animation cathode - et anode + Mission 2 : Finalement où est l’eau ? Consigne : Les mesures des sondes de Mars Odyssey ont données la cartographie des émissions de neutrons ci-contre. Pouvez-vous y interpréter la présence d’hydrogène et donc…peut-être d’eau. Frédéric Dargent Lycée la Trinité Béziers Mission 3 : Chercheur(se) en science de l’univers, astrophysicien(ne) Consigne : Je suis intéressé par ces métiers, comment puis y accéder ? http://www.onisep.fr/Ressources/Univers-Metier/Metiers/astrophysicien-ne/ http://www.onisep.fr/Ressources/Univers-Metier/Metiers/chercheur-euse-en-physique/ Ressources diverses sur la mission Curiosity et Mars: http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/univers/d/que-deau-sur-mars_1738/ http://mars.jpl.nasa.gov/msl/multimedia/videos/index.cfm?v=23 http://mars.jpl.nasa.gov/msl/multimedia/interactives/photosynth/ http://www.360pano.eu/show/?id=731 http://www.youtube.com/watch?v=EDgSTMaVDkQ&feature=related superscience - de l’eau sur mars http://www.youtube.com/watch?v=LYSYPZDDWos&feature=related l’univers et ses mystère (Mars) Frédéric Dargent Lycée la Trinité Béziers Frédéric Dargent Lycée la Trinité Béziers
