Champs neutroniques monoénergétiques, l'installation AMANDE
L’installation Amande, mise en service en 2005, produit des champs neutroniques monoénergétiques de référence avec deux objectifs : la métrologie relative à la fluence et aux équivalents de dose pour les neutrons ; ainsi que les tests et étalonnage de détecteurs et de dosimètres neutrons à plusieurs énergies spécifiques sur une gamme étendue (entre 2 keV et 20 MeV).
Contexte
Contexte et objectif
L'installation AMANDE est exploitée par le Laboratoire de micro-irradiation, de métrologie et de dosimétrie des neutrons (LMDN) rattaché au Service de Recherche en Dosimétrie (SDOS) de l’IRSN. Le LMDN est associé au Laboratoire national de métrologie et d’essai (LNE) où il est connu sous le nom de LNE-IRSN. A ce titre, le LMDN détient les références nationales pour la fluence neutronique (nombre de neutrons par unité de surface) et les grandeurs dosimétriques dérivées comme l’équivalent de dose.
Dans ce cadre, le LMDN développe et exploite des installations produisant des champs neutroniques de référence tels que définis dans les normes ISO 8529 et ISO 12789 utilisés pour :
- réaliser l'étalonnage des instruments de radioprotection (étalonnage dans un ou plusieurs types de champ neutronique défini)
- déterminer la réponse d'appareils de mesure en fonction de l'énergie des neutrons.
De par ses caractéristiques, notamment la capacité à délivrer des champs de neutrons monoénergetiques, l’installation AMANDE permet d'étudier la variation de la réponse d’un appareil de mesure (tels que dosimètre, débitmètre, spectromètre, etc.) en fonction de l’énergie des neutrons.
Il n'existe que cinq autres installations dans le monde produisant des champs neutroniques monoénergétiques caractérisés pour une gamme d’énergie comprise entre quelques keV et 20 MeV : au Royaume-Uni (NPL), en Allemagne (PTB), en Belgique (JRC-Geel), au Japon (NMIJ) et en Chine (CIAE). Le LMDN développe des collaborations avec chacun de ces instituts et participe régulièrement à des comparaisons internationales de métrologie (sous l'égide de la Commission Internationale des Poids et des Mesures) permettant de valider les références en fluence de chaque institut.
En France, deux autres installations produisent des champs neutroniques mono-énergétiques pour diverses applications, notamment la mesure de sections efficaces (c’est-à-dire la probabilité de réaction nucléaire entre deux particules) : la plateforme AIFIRA au CENBG (CNRS) près de Bordeaux et le CEA Île de France à Bruyères-le-Châtel.
Photo : Vue d'ensemble du hall d'irradiation de l'installation Amande - @ Francesco Acerbis / Médiathèque IRSN
Principe
Principe et descriptif de l'installation
Les neutrons monoénergétiques sont obtenus à l’aide de faisceaux d’ions hydrogène (protons ou deutons(1)). Ces ions sont accélérés à une énergie donnée et dirigés sur une cible constituée d’un dépôt fin sur un support métallique. Les ions interagissent alors avec les noyaux constitutifs du dépôt fin sur la cible, ce qui produit des neutrons. Le dépôt peut être du scandium, du lithium ou du titane dans lequel est occlus du tritium ou du deutérium.
Le faisceau d’ions qui génère les neutrons est obtenu en deux étapes. Des ions négatifs d’hydrogène ou de deutérium (H- ou D-) sont accélérés par une différence de potentiel jusqu'au centre de l’accélérateur où leur charge est inversée en traversant un flux d’azote qui leur arrache deux électrons. Ils deviennent ainsi positifs, respectivement protons ou deutons puis, leur charge ayant été inversée, ils sont accélérés une seconde fois par la même différence de potentiel.
L’énergie des neutrons émis au niveau de la cible dépend du type de particules utilisées (protons ou deutons), de son énergie mais aussi du dépôt sur la cible. Deux aimants, le premier situé après la source d’ions, le second à la sortie de l’accélérateur, permettent de sélectionner respectivement le type de particules à accélérer (protons ou deutons) et leur énergie. La résolution du pic monoénergétique(2) dépend principalement du type et de l'épaisseur de dépôt choisi, aussi plusieurs épaisseurs de dépôt sont-elles disponibles.
Photo : vue d'ensemble de la ligne de faisceau de l'installation Amande -(c) Francesco Acerbis / Médiathèque IRSN,
L’énergie des neutrons produits varie également en fonction de l’angle d’émission par rapport à la direction du faisceau d’ions. Cette propriété est utilisable pour modifier l’énergie des champs neutroniques monoénergétiques sans intervenir sur l’énergie du faisceau d’ions. Toutefois l’angle de 0° (dans l’axe du faisceau) est privilégié autant que possible du fait de meilleures caractéristiques(3) des champs neutroniques produits. La gamme en énergie des neutrons émis à 0°est précisée dans le tableau ci-dessous. En tenant compte d’angle d’émission jusqu’à +/- 150°, le domaine en énergie des neutrons couvert par l'installation s'étend de 2 keV à 7,3 MeV et de 12 MeV à 20,5 MeV.
Figure : tableau des réactions nucléaires permettant de créer des champs monoénergétiques avec le domaine en énergie associé pour ces champs dans l'axe du faisceau d'ions. © IRSN
(1) Un deuton est un isotope de l’hydrogène composé d’un proton et d’un neutron.
(2) Le rapport entre la largeur à mi-hauteur, en énergie, du pic monoénergétique et l’énergie moyenne de ce pic
(3) A cet angle, l’énergie et le débit de fluence sont maximaux, la contribution des neutrons diffusés est la plus faible, et l’homogénéité du champ sur la surface du détecteur est optimale.
L’accélérateur d'ions utilisé dans l’installation AMANDE est un TandetronTM de 2 MV. Il a été spécialement conçu de manière à avoir une très faible dispersion en énergie du faisceau d’ions (environ 500 eV) et une très grande stabilité en énergie (environ 100 eV).
Il peut être utilisé en mode continu ou pulsé et produire des faisceaux de protons ou de deutons d’énergie comprises entre 100 keV et 4 MeV (i.e. deux fois la haute tension maximale). Le mode pulsé permet d'effectuer des mesures de temps de vol des neutrons : leur vitesse – et donc leur énergie - est calculée grâce à la mesure du temps écoulé entre leur production dans la cible et leur détection à une distance connue.
L’énergie du faisceau d'ions est définie à partir du champ magnétique de l'aimant à 90°, contrôlé par un teslamètre à résonance magnétique. De plus, cette énergie est étalonnée régulièrement en utilisant des réactions nucléaires de référence et peut ainsi être définie avec une incertitude relative inférieure à 0,07 %.
Un soin particulier a été apporté au hall d'expérimentation de 400 m² d’AMANDE. Afin de réduire la quantité de neutrons diffusés polluant les champs neutroniques monoénergétiques, un minimum de matière a été placé dans le hall expérimental et les limites du hall ont été optimisées. Ainsi, la cible est située à 7,2 mètres au-dessus du sol et le hall est délimité par des parois métalliques de faible épaisseur avec lesquelles les neutrons interagissent peu.
Par ailleurs, un système automatisé permet le positionnement précis et reproductible des détecteurs à une distance ajustable entre 0,5 et 6 m de la cible dans une plage angulaire de –150° à +150° par rapport à l'axe du faisceau d’ions.
Enfin, le hall d'expérimentation est équipé d'un dispositif de régulation en température et en hygrométrie par rideau d'air autour de la zone d'étalonnage, afin de maintenir les conditions ambiantes dans les spécifications des normes internationales utilisées pour l’étalonnage d’instruments de radioprotection.
Déterminer la fluence
Déterminations des grandeurs de référence en fluence et en énergie
Dans le cas d’une installation produisant des neutrons avec un accélérateur, le débit d’émission neutronique est difficile à déterminer. En effet, cette émission dépend des sections efficaces des réactions nucléaires entre la cible et les ions du faisceau ainsi que des caractéristiques physiques de la cible (épaisseur, densité du dépôt, etc.). En outre, les cibles peuvent évoluer au cours du temps. L’utilisation de détecteurs et/ou de méthodes de références sont ainsi nécessaires pour définir les grandeurs de référence (fluence, équivalent de dose, énergie).
Un détecteur de type « long compteur » est utilisé pour déterminer la fluence neutronique de référence sur AMANDE avec une incertitude relative de l’ordre de 3 %. Ce détecteur est constitué d’un tube cylindrique rempli de gaz 3He placé au sein d’une enceinte modératrice. La géométrie du détecteur a été optimisée afin d’obtenir une sensibilité constante sur la gamme d’énergie considérée (entre quelques eV et plusieurs MeV). Afin d’être relié aux références nationales de la fluence neutronique, le long compteur est périodiquement étalonné auprès des sources mises en œuvre dans un autre dispositif de l’IRSN, l’irradiateur « Van Gogh ».
La détermination de la fluence en lieu et place de l'instrument à étalonner est réalisée systématiquement avec le long compteur avant tout étalonnage. Le suivi de la fluence de référence lors de l’étalonnage de l’instrument est réalisé par des détecteurs de neutrons (appelés « moniteurs ») installés à demeure dans le hall d’expérimentation. Les équivalents de dose sont obtenus en appliquant, à la fluence, un coefficient de conversion donné dans les normes internationales (ISO, ICRU, ICRP).
L’énergie des neutrons est calculée à partir de la cinématique de la réaction nucléaire en utilisant l’énergie du faisceau incident et les caractéristiques de la cible. Ce calcul est vérifié expérimentalement de manière régulière, ou autant que de besoin, avec la méthode du temps de vol permettant de mesurer l’énergie moyenne avec une incertitude relative inférieure à 1,5 %.
Applications
Les champs neutroniques monoénergétiques produits sur AMANDE sont principalement utilisés pour :
la caractérisation de détecteurs « de référence ou étalons » par la détermination de leurs fonctions de réponse, le développement, la qualification, la caractérisation et l’étalonnage d’instruments de mesure des neutrons, notamment pour des besoins en radioprotection où une attention particulière est portée sur l’étalonnage en équivalent de dose. La mise en œuvre et la caractérisation de systèmes de spectrométrie et de dosimétrie des neutrons, utilisés pour l’expertise auprès d’installations nucléaires ou de postes de travail.
AMANDE est également utilisée par des équipes scientifiques nationales et internationales ayant besoin de champs neutroniques monoénergétiques pour leurs projets de recherche, tels que la détermination de sections efficaces nucléaires, l'étude de l'impact des neutrons sur des matériaux ou sur des éléments biologiques vivants, etc.
L'installation AMANDE est ainsi ouverte aux utilisateurs externes à l'IRSN.
Photo : Salle de commande de l'installation Amande (c) Francesco Acerbis / médiathèque IRSN
Champs neutroniques
Champs neutroniques complétant ceux d'amande
L’énergie la plus petite que peut produire l'installation AMANDE est de quelques keV. Pour obtenir un point d'étalonnage d’énergie inférieure, le LMDN développe un champ dit « thermique » où plus de 99 % des neutrons auront une énergie inférieure à 0,5 eV et une énergie moyenne proche de 25 meV. Ce champ thermique, disponible fin 2019, complète ainsi ceux d'AMANDE pour déterminer la réponse des instruments de mesure en fonction de l'énergie des neutrons.
L’énergie la plus grande que peut produire AMANDE est de 20 MeV. Pourtant, il existe un besoin croissant de champs neutroniques de référence à plus haute énergie pour l'étalonnage d'instrument et la détermination de sections efficaces de réaction. En effet, le développement d'installations produisant des faisceaux d'ions de haute énergie (accélérateurs pour la hadronthérapie ou pour la science fondamentale) ainsi que des activités aéronautiques et spatiales génère des besoins en radioprotection mais également pour l’évaluation de l'effet des neutrons de haute énergie sur les composants électroniques. En partenariat avec les instituts nationaux de métrologie britannique et allemands (respectivement le NPL et la PTB), le LMDN participe au développement de champs neutroniques quasi-monoénergétiques de haute énergie (jusqu’à 230 MeV environ) auprès de l’installation existante d'i-Themba Labs en Afrique du Sud.
Le débit maximal de fluence disponible sur AMANDE est très dépendant de l’énergie. Il est au plus de 700 000 neutrons par cm² et par seconde à 10 cm de la cible.
Si des valeurs plus élevées sont recherchées, il est possible :
- d'utiliser un autre accélérateur du LMDN (le T400) délivrant un débit de fluence neutronique 10 fois supérieur mais avec des neutrons de 3 MeV d'énergie uniquement
- d’utiliser le champ neutronique intense au PTB (Allemagne) mais qui n'est pas monoénergétique
Caractéristiques des faisceaux
Caractéristiques des faisceaux générés par l'installation AMANDE
Débits à 0° et à 1 m de la cible
- Limitations : réaction, échauffement cible, zonage radiologique
- Max à 1 m : 7.103 cm-2.s-1 – 10 mSv/h (soit 7.105 cm-2.s-1 – 1 Sv/h à 10 cm)
L'installation MIRCOM
Depuis 2016, l’accélérateur de l'installation Amande est équipé d’une seconde ligne de faisceau capable de cibler, avec une précision micrométrique, des éléments cellulaires ou subcellulaires avec un nombre défini de particules chargées. Cette ligne, ainsi que le laboratoire de biologie qui lui est associé, constituent l’installation Mircom utilisée pour des expériences de radiobiologie.
Pour aller plus loin
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