Vers une source de neutrons portative?

Des chercheurs de l’Institut für Kernphysik, Technische Universität Darmstadt, Darmstadt, Allemagne, du Los Alamos Laboratory, Los Alamos, NM, USA et du Sandia Laboratory, Albuquerque, NM, USA ont réussi à obtenir une source compacte de neutrons pulsés d’une énergie supérieure à 150 MeV en dirigeant un faisceau laser pulsé de haute puissance et courte durée sur une cible spécialement conçue.

Fig.1. Schéma de l'expérience.

Fig.1. Schéma de l’expérience. Le faisceau d’impulsions laser vient de la gauche de la figure. La première cible est une feuille de polyéthylène ( polymère de CH2) ou de polyéthylène deutéré (CD2,les atomes d’hydrogène sont remplacés par des atomes de deutérium). La collision des photons avec la 1ère cible produit des protons (p+) ou des deutérons (d+). Ceux-ci sont convertis dans la cible en béryllium (Be) en un faisceau sphérique et un faisceau focalisé de neutrons. Crédit D. Jung, ©2013 American Physical Society.

Les neutrons sont des particules subatomiques de charge électrique nulle et de masse voisine de celle du proton. Liés avec les protons par l’interaction forte, ils forment les noyaux des atomes. Ces neutrons liés sont généralement stables, mais les neutrons libres se désintègrent en moins de 15 minutes.

Les neutrons sont très utilisés pour l’étude de la matière condensée. Un faisceau de neutrons libres peut en effet pénétrer facilement dans des matériaux, gaz, liquides ou solides et y subir une diffraction. L’analyse des neutrons à la sortie permet d’étudier la structure atomique des corps traversés ou encore de réaliser une véritable radiographie d’objets denses . Les neutrons étant neutres électriquement, ils constituent des sondes non destructives d’un grand intérêt. En revanche, leur production nécessite jusqu’ici l’utilisation, soit d’un réacteur nucléaire spécialement conçu, comme celui de l’institut Laue-Langevin à Grenoble, soit celle d’un accélérateur de particules où celles-ci sont dirigées sur une cible adaptée.

Production de neutrons par laser pulsé de haute puissance

Dans l’expérience réalisée au Los Alamos  National Laboratory, Fig.1, on utilise le laser pulsé de haute intensité TRIDENT de 200 TW de puissance (1 térawatt= 1012 Watt). Le flux de photons  heurte une cible de 0,4 µm d’épaisseur en polyéthylène, qui est un polymère de radicaux CH2,  ou une cible de 3,2 µm  en polyéthylène deutéré (polymère de CD2) où les atomes d’hydrogène sont remplacés par des atomes de son  isotope, le deutérium. Des protons, dans le cas de CH2, des deutérons (formés d’un proton et d’un neutron) dans le cas de CD2,  sont émis. Ils vont heurter un bloc de de béryllium où ils sont convertis en neutrons de haute énergie. Le  faisceau final de neutrons  focalisé vers l’avant  a une densité de 1010 neutrons par stéradian.

Un stéradian est l’angle solide d’un cône qui, ayant son sommet au centre d’une sphère de rayon 1 délimite sur cette sphère une surface d’aire unité. Pour la sphère complète, l’angle solide vaut 4π stéradians.

 

Où la relativité aide à la pénétration des photons laser

L’impulsion laser, en pénétrant dans une très mince couche de la cible de polyéthylène opaque, accélère à son début un grand nombre d’électrons de celle-ci.

Durant l’augmentation d’intensité de l’impulsion laser, les électrons deviennent relativistes (leur vitesse est proche de celle de la lumière),  leur masse augmente, ils sont alors beaucoup moins facilement déplacés par les photons et s’opposent donc moins à leur pénétration. Celle-ci est  considérablement facilitée : on dit qu’on a une “transparence relativiste” de la cible. Au voisinage du maximum d’intensité de l’impulsion, le laser interagit donc avec l’ensemble du volume de la cible, il fournit de l’énergie à l’ensemble des électrons, ce qui  produit et accélère des ions H+( protons)  ou des  ions D+( deutérons), jusqu’à  des dizaines de MeV.

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Fig.2. Schéma de la chambre des  cibles. Des dosimètres à bulles sont placés à l’extérieur de la chambre pour couvrir tous les angles d’émission de neutrons. On mesure l’énergie des neutrons focalisés avec un ensemble de
trois détecteurs à scintillation. Crédit D. Jung, ©2013 American Physical Society.

La scintillation désigne l’émission de lumière observée dans certains cas lorsqu’une particule élémentaire interagit avec la matière.  On l’utilise pour la détection des neutrons en mesurant le nombre de photons émis.  Un photomultiplicateur est un détecteur de photons : ces derniers arrachent, par effet photoélectrique, des électrons à une photocathode. Ces électrons  sont accélérés par des champs électriques élevés appliqués sur une série de plaques, les dynodes. A chaque dynode les électrons accélérés génèrent des électrons secondaires. On multiplie ainsi le courant électrique dont la  mesure finale est proportionnelle au nombre de photons.
Dans les dosimètres à bulles, des noyaux mis en mouvement par les neutrons ionisent un gel métastable, provoquant la vaporisation de bulles restant piégées dans le gel. On compte optiquement celles-ci.

Dans ce mécanisme, on observe que l’efficacité des deutérons est environ supérieure d’un ordre de grandeur à celle des protons, d’où le choix d’une cible en polyéthylène deutéré. Ces deutérons accélérés vont heurter une cible de béryllium (Be). Il se produit alors une émission de neutrons par désintégration de Be et  par désintégration des deutérons. On obtient  un faisceau sphérique et un faisceau focalisé plus intense. Ce dernier a une densité de neutrons de 1010 neutrons par stéradian.

 

Première radiographie à l’aide de neutrons obtenus par laser

Avec un faisceau de neutrons aussi intense, les chercheurs ont radiographié un objet opaque et macroscopique.  Celui-ci est formé de trois blocs de tungstène(W) (Fig. 3) de tailles différentes. Un imageur de neutrons constitué d’un bloc de fibres plastiques scintillatrices suivi d’un détecteur de lumière permet d’obtenir une image à partir des neutrons sortant de l’objet.

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Fig.3. Schéma de l’arrangement de blocs de tungstène
devant le scintillateur (marron) formé de fibres de
500 µm de diamètre et qui est le premier élément
de l’imageur de neutrons.
Crédit D. Jung, ©2013 American Physical Society.

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Fig.4. Image (à gauche) de la radiographie par neutrons
des blocs de W précédents. A droite, on a figuré une
image calculée où l’on a indiqué les épaisseurs de
tungstène traversées.
Crédit D. Jung, ©2013 American Physical Society.

Ces premiers résultats montrent qu’à partir d’ impulsions lasers intenses  on peut  obtenir une source de neutrons compacte (d’une taille de quelques mm), donnant des flux de neutrons  de très courte durée ( 10-10 s) et d’énergie très élevée ( >150 Mev).

La petite taille de la source réduit celle des blindages, le flux de neutrons peut être très élevé et la résolution temporelle excellente. La voie est ainsi ouverte vers l’utilisation des neutrons dans des laboratoires de taille moyenne et les universités. Et les perfectionnements incessants des lasers pulsés de puissance laissent espérer dans un proche avenir la mise au point de sources de neutrons rapides pulsés réellement portatives.

 

Pour en savoir plus :

Bright Laser-Driven Neutron Source Based on the Relativistic Transparency of Solids
M. Roth, D. Jung, K. Falk, N. Guler, O. Deppert, M. Devlin, A. Favalli, J. Fernandez, D. Gautier, M. Geissel,
R. Haight, C. E. Hamilton, B. M. Hegelich, R. P. Johnson, F. Merrill, G. Schaumann, K. Schoenberg,
M. Schollmeier, T. Shimada, T. Taddeucci,J. L. Tybo, F. Wagner, S. A. Wender, C. H. Wilde, and G. A. Wurden
Physical Review Letters,  110, 044802 (2013)