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.
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.
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.