Mars en neutrons

Frédéric Dargent Lycée la Trinité Béziers
Scénario
Mission 1 : De l’eau sur Mars (Extraire l’information)
Sources de neutrons
Document 1
Programme terminale S 2012
Notions et contenus
Compétences attendues
Pré requis
Détecteurs d’ondes et de
particules.
Extraire et exploiter des informations sur :
- Des sources d’ondes et de particules et leurs utilisations ;
- Un dispositif de détection
L’isotope d’américium est instable, il émet des particules alpha (
He
4
2
) selon la réaction :
NpHeAm 237
93
4
2
241
95 
Les noyaux de béryllium bombardés par les particules alpha donnent lieu à la réaction :
CnHeBe 12
6
1
0
4
2
9
4
Les neutrons ont une énergie pouvant atteindre 14 Mev mais leur valeur moyenne est d’environ 4,5 MeV (Neutrons rapides).
Mars en neutrons
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…
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
http://www.nirgal.net/schemas/mars_odyssey_neutrons.html
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
Am
241
95
et
de Bérylium
Be
9
4
peut constituer
cette source.

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Le détecteur D.A.N. (Dynamic Albedo of Neutrons)
Document 2
Exposé de la méthode
Document 3
http://l503.iki.rssi.ru/DAN-en.html
http://l503.iki.rssi.ru/DAN-en.html
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
http://mars.jpl.nasa.gov/multimedia/images/?ImageID=3675
http://marsoweb.nas.nasa.gov/landingsites/msl/workshops/data_clean/Mitrofanov_invest_3_2
8_135530.pdf
Les 2 détecteurs
de neutrons
Générateur de neutrons
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).

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Principe de fonctionnement d’un détecteur
Document 4
Document 4 bis
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
http://mars.jpl.nasa.gov/msl/images/dan-water_ice_diagram.jpg
Sonde à neutrons de profondeur.
http://www-pub.iaea.org/MTCD/publications/PDF/TCS-16F-2_web.pdf
p 11/76
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)

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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
Mission 2 : Finalement où est l’eau ?
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 +
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 VG.
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.
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)
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)
Consigne :
Je suis intéressé par ces métiers, comment puis y accéder ?