SFP-Journées Accélérateurs Production de neutrons avec les accélérateurs électrostatiques du CEA-DAM/DPTA/SP2A Isabelle BAILLY Laboratoire des Accélérateurs ElectroStatiques SFP-Journées Accélérateurs PORQUEROLLES 5-7 Octobre 2003

Présentation générale Laboratoire des Accélérateurs ÉlectroStatiques Les Accélérateurs Électrostatiques 4MV et 7MV Applications des Accélérateurs ÉlectroStatiques Production de neutrons monocinétiques Pulsation et Compression

Laboratoire des Accélérateurs ÉlectroStatiques Département de Physique Théorique et Appliquée (DPTA) Service de Physique des Accélérateurs et Applications (SP2A) 11 personnes 2 ingénieurs – chercheurs (annexe I) 9 opérateurs machine (annexe II) correspondant utilisateur GSR cibles de production spécialistes technique de vide, mécanique…… 2 accélérateurs électrostatiques Van de Graaff 4 MV Van de Graaff – tandem 7 MV LAES (I)

Laboratoire des Accélérateurs ÉlectroStatiques Distribution du temps de faisceau en 2002 Tandem Van de Graaff 7 MV 1H, 2H, 3He, 4He, … Haute énergie, courant moyen C …  Au Energie: qqMeV/u Faisceaux secondaires: neutrons pôle CEA (DSM, DSV) + extérieur Physique nucléaire (DPTA) 14% 28 % 22.4% 20% 15.6% Analyse matériaux (DRMN,DMAT) Etalonnage détecteurs neutron (DCRE,DPTA,DRMN) Vieillissement (DRMN,DCRE,DPTA) 1H, 2H, 3He, 4He, Basse énergie et fort courant Faisceaux secondaires : g + Neutrons (+ monitorage) Energie: 30 keV7 MeV et > 15 MeV Flux ~107 n/s/sr Van de Graaff 4 MV LAES (II)

Système de management de la QUALITE Norme ISO 9001 version 2000 Laboratoire des Accélérateurs ÉlectroStatiques Système de management de la QUALITE Norme ISO 9001 version 2000 Amélioration continue du système de management de la qualité CLIENTS exigences CLIENTS Satisfaction Responsabilité de la direction Management des ressources Mesures, analyse et amélioration Réalisation du produit PRODUIT Suite….. management environnemental norme ISO 14001 LAES (III)

Liens avec le client ? Expression du besoin : Demande de temps de faisceau Établissement d’un planning de répartition du temps de faisceau LAES (IV)

Aspect sécurité (et Environnement ?) Norme ISO 140001 Programme expérimental décrit par le client-utilisateur LAES (V)

Indicateurs de satisfaction client % d’objectifs atteints par le client Temps de disponibilité faisceau LAES (VI)

Plan de l’accélérateur électrostatique Les Accélérateurs ÉlectroStatiques Plan de l’accélérateur électrostatique Van de Graaff 4 MV 5 lignes de faisceau 2 salles d’expérience Acc. (I)

Les Accélérateurs ÉlectroStatiques Caractéristiques des faisceaux d’ions de l’accélérateur électrostatique Van de Graaff 4 MV 1H, 2H,3He, 4He Énergie 500 keV à 4 MeV Faisceau continu : courant > 300µA pour des énergies > 1.5 MeV Faisceau pulsé : Par hachage entre la source et le tube accélérateur : 10 ns, 2.5 MHz Par compression magnétique MOBLEY : 1 ns, 2.5 MHz Xe : Énergie jusqu’à 1.5 MeV: mesure 12 µA à 1.2 MeV Acc.(II)

Accélérateur électrostatique Van de Graaff- Tandem 7 MV Les Accélérateurs ÉlectroStatiques 1 Source IBA 2 Source iconex 860 3 source alphatross LA01: salle d’expérimentation n°1 LA02: salle d’expérimentation n°2 LA03: salle d’expérimentation n°3 LA04: hall accélérateur Accélérateur électrostatique Van de Graaff- Tandem 7 MV 7 lignes de faisceau et 4 salles d’expérience Acc. (III)

Les Accélérateurs ÉlectroStatiques Caractéristiques des faisceaux d’ions de l’accélérateur électrostatique Van de Graaff –tandem 7 MV Source IBA : 1H, 2H Énergie 2 à 14 MeV Source en continu + faisceau en continu, courant limité à 20 µA Source en continu + faisceau pulsé, 1à 2 ns, Imoyen ~1 µA, fmax = 2.5 MHz Source en mode pulsé, 100 µs, Icrête= 300 µA, fréquence max = 100 Hz Source ALPHATROSS : 3He, 4He Énergie 2 à 21 MeV mode continu faisceau en continu, courant entrée machine 1.5 µA faisceau pulsé, ~2ns, Imoyen= 50 nA, fmax = 2.5 MHz Source ICONEX 860 : Ions lourds (B, C, F, P, S, Ni, Cu, …I, Au) Énergie: de quelques MeV à 100 MeV selon les ions en mode continu Le courant dépend de -l’ion accéléré -de l’état de charge faisceau pulsé, qq ns, fmax = 2.5 MHz Acc. (IV)

Domaine d’utilisation des accélérateurs électrostatiques Physique nucléaire et neutronique : -CARMEN -CIRENE : -MUSTARD : Étalonnage de détecteur : - dosimètrie neutronique, - étalonnage neutrons, - spectromètrie g. Irradiations de matériaux : (modulation dose, débit, énergie des ions, dépôt par particule) - vieillissement du Pu - radiobiologie sur cellules vivantes - modélisation irradiation spatiale Analyses de matériaux : (par microsonde et/ou par faisceau d’ions non focalisé) - éléments constituants - profil de concentration… caractérisation des isomères Appli. (I)

Physique Nucléaire Mesure des sections efficaces (n, xn) Production d’un « faisceau » collimaté de neutrons monocinétiques CARMEN Compteurs Associés Relatif à la Mesure des Neutrons Casemate en béton Mur en plomb Spectre en énergie des neutrons (à angle et énergie incidente donnés) corrélé à la multiplicité neutronique de chaque réaction Appli. (II)

INTEGRAL (International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory) mission astronomique de l'Agence Spatiale Européenne. Objectif principal est une exploration approfondie des sites célestes émissifs dans la bande spectrale des rayons gamma de basse énergie. Etalonnage du spectromètre d’INTEGRAL sur le site de DIF (accélérateur VdG-4 MeV) 1- étalonnage en énergie par des photons g émis par des sources (E=60 keV à 1.8 MeV) ou produits par interaction ions-cible (E=1.8 à 8 MeV) 2- reconstitution des images Étalonnage avec des sources lointaines Appli. (III)

Irradiation de culture de cellules Faisceau diffusé sur une feuille d’or et extrait du vide des lignes, Pour la DSV, faisceau de particules alpha d’énergie à l’entrée de la cellule variable de 2 à 16 MeV, de 104 à 109 a/cm²/s Scintillator Ne102 + PM Feuille de fin de ligne (HAVAR) puits de culture de cellules 1 2 3 4 5 Appli. (IV)

Production d’un champ de Neutrons Monocinétiques Détecteur neutron NE213 + PM BF3 Faisceau primaire d’ions (p ou d) Chaîne d’acquisition Cible de production Ti/T, Ti/D, 7Li Support Au ou Ta  programme de calcul cinématique de réaction et de flux de neutron: + énergie du faisceau primaire/ faisceau neutron en fonction de l’angle + détermination du nombre de neutrons/s/sr ± incertitude neutron (I)

Gamme d’énergie et Flux de neutrons réaction (p ou d) sur cibles solides => courant limité à 6 µA Énergie neutron (MeV) réaction Énergie ions 0° 20° 0.03< En <0.7 7Li(p,n)7Be 1.93< Ep <2.4 ~ 3.7.107 ~ 3.6. 107 0.7< En <3.0 T(p,n)3He 1.3< Ep <4.0 ~ 8.5.107 ~ 6.9. 107 4.0< En <7.0 D(d,n)3He 1.0< Ed <4.0 ~ 5.0.107 ~ 2.2. 107 15< En >20.7 T(d,n)4He 0.5< Ed <4.0 ~ 1.7.107 ~ 1.3. 107 neutron/s/sr neutron (II)

Moniteurs du flux de neutrons Compteur directionnel à BF3 Scintillateur NE213 + Photomultiplicateur + électronique pour une discrimination neutron-gamma, seuil de détection à ~ 4 MeV neutron neutron (III)

Nécessité d’un faisceau pulsé et d’une compression associée Mesure de l’énergie des neutrons par la méthode de temps de vol x10 x4 Pour une pulsation à 2.5 MHz soit 400 ns de récurrence Compression (I)

Création d’un faisceau pulsé de 2.5 MHz J.-G. MARMOUGET TANK pulsation cavité dipôle 400 ns source Description 2D du champ électrique: Pulsation par Lissajous Compression (II)

Regroupeur HF de VdG-4MV ligne Mobley – cavité déviatrice 20 MHz J.-G. MARMOUGET Compression (III)

Champ électrique dans la cavité Mobley J.-G. MARMOUGET Compression (IV)

Calcul TRACEWIN Calcul d’enveloppe du faisceau de protons de 4 MeV. Evolution de la durée du pulse J.-G. MARMOUGET Compression (V)

CONCLUSION 2 accélérateurs électrostatiques VdG – 4MV et VdG tandem-7MV le gamme en énergie s’étend de 500 keV à 14 MeV pour p et d production de champ de neutrons monocinétiques avec une gamme en énergie de 30 keV à 7 MeV et 15 à 21 MeV Nécessité de faisceau pulsé de courte largeur temporelle ~1ns Faisceau pulsé par Lissajous 2 modes de compression temporelle par modulation transverse (compression MOBLEY) par modulation longitudinale (Buncher haute énergie)