​​​​​​​Installations et moyens expérimentaux

L'installation AMANDE
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Faisceaux de neutrons monoénergétiques

L'installation AMANDE

​L’installation Amande (Accélérateur pour la métrologie et les applications neutroniques en dosimétrie externe), 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).

L

Faisceaux de neutrons monoénergétiques

L'installation AMANDE

​L’installation Amande (Accélérateur pour la métrologie et les applications neutroniques en dosimétrie externe), 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 et objectif de l'installation Amande

​Amande fait partie des installations du Laboratoire de métrologie et de dosimétrie des neutrons (LMDN) de l’IRSN. Au travers du LMDN, l’IRSN est Laboratoire associé au Laboratoire national de métrologie et d'essai (LNE), et dans ce cadre développe et exploite des installations produisant des champs neutroniques de référence. Ceux-ci sont utilisés pour : 

définir les références nationales des grandeurs fluence (c'est-à-dire en nombre de neutrons par unité de surface) ou équivalents de dose (ambiant ou personnel) relatives aux neutrons,et pour réaliser divers types d'étalonnage des instruments de radioprotection (étalonnage de routine, étalonnage dans des champs « réalistes », détermination de la réponse d'appareils de mesure en fonction de l'énergie des neutrons). 

Amande présente l’avantage de fournir des champs de neutrons monoénergétiques c’est-à-dire ayant une seule énergie (à une incertitude près) ; ceci facilite les tests et leur interprétation et permet l’étude de la variation de la réponse d’un appareil de mesure en fonction de l’énergie des neutrons.

​Vue d'ensemble du hall d'irradiation de l'installation Amande
@ Francesco Acerbis / Médiathèque IRSN

Contexte et objectif de l'installation Amande

Contexte et objectif de l
​Vue d'ensemble du hall d'irradiation de l'installation Amande
@ Francesco Acerbis / Médiathèque IRSN

​Amande fait partie des installations du Laboratoire de métrologie et de dosimétrie des neutrons (LMDN) de l’IRSN. Au travers du LMDN, l’IRSN est Laboratoire associé au Laboratoire national de métrologie et d'essai (LNE), et dans ce cadre développe et exploite des installations produisant des champs neutroniques de référence. Ceux-ci sont utilisés pour : 

définir les références nationales des grandeurs fluence (c'est-à-dire en nombre de neutrons par unité de surface) ou équivalents de dose (ambiant ou personnel) relatives aux neutrons,et pour réaliser divers types d'étalonnage des instruments de radioprotection (étalonnage de routine, étalonnage dans des champs « réalistes », détermination de la réponse d'appareils de mesure en fonction de l'énergie des neutrons). 

Amande présente l’avantage de fournir des champs de neutrons monoénergétiques c’est-à-dire ayant une seule énergie (à une incertitude près) ; ceci facilite les tests et leur interprétation et permet l’étude de la variation de la réponse d’un appareil de mesure en fonction de l’énergie des neutrons.

Principe et descriptif de l'installation

​Les neutrons monoénergétiques sont obtenus à l’aide de faisceaux d’ions (protons ou deutons ). Ces particules sont accélérées à une énergie donnée et dirigées sur une cible constituée d’un dépôt de quelques microns d'épaisseur sur un support métallique. Les ions accélérés interagissent avec les noyaux des éléments chimiques constitutifs du dépôt de la cible et produisent ainsi des neutrons. Le dépôt est soit du scandium, du lithium ou du titane dans lequel est occlus du tritium ou du deutérium.
 
Le faisceau de particules positives, qui génère les neutrons, est obtenu en deux étapes. Dans un premier temps, des ions négatifs d’hydrogène et de deutérium (H- et D-) sont accélérés par une différence de potentiel jusqu'au centre du tube accélérateur, où leur charge est inversée en traversant un flux d’azote qui leur arrache deux électrons. Ils sont ainsi transformés en protons ou deutons (i.e. noyaux stables formés d'un proton et d'un neutron) et ces ions devenus positifs 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 de la réaction utilisée (et donc de l’élément chimique constituant la cible). La résolution du pic mono-énergétique dépend principalement du type et de l'épaisseur de dépôt choisi pour la cible. Plusieurs épaisseurs de cibles sont donc utilisées.

Pour générer des neutrons d’une énergie spécifique, l’installation agit sur l’énergie des particules arrivant sur la cible à l’aide de deux aimants : un aimant de déviation de 15° situé après la source sélectionne le type d’ion (proton ou deuton) à accélérer ; et un aimant d’analyse de 90°, situé à la sortie de l’accélérateur, définit l'énergie souhaitée pour les particules. L’énergie des neutrons varie également en fonction de l’angle d’émission de ceux-ci par rapport à la direction du faisceau d’ions. Cette propriété est utilisée pour étendre le domaine en énergie des champs neutroniques monoénergétiques disponibles : il suffit de placer le détecteur à étalonner à un angle d’émission donné. Toutefois l’angle de 0° (dans l’axe du faisceau) est privilégié autant que possible du fait de meilleures caractéristiques (énergie et fluence maximale, contribution minimale des neutrons diffusés, homogénéité optimale du champ sur la surface du détecteur). La gamme d'énergie de neutrons produits 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.

​Vue d'ensemble de la ligne de faisceau de l'installation Amande, avec l'accélérateur de particules à gauche au second plan de l'image, et au premier plan, l'aimant d'analyse à 90°. Le hall d'expérimentation Amande se trouve de l'autre côté du mur situé à droite.
(c) Francesco Acerbis / IRSN

Principe et descriptif de l'installation

Principe et descriptif de l
​Vue d'ensemble de la ligne de faisceau de l'installation Amande, avec l'accélérateur de particules à gauche au second plan de l'image, et au premier plan, l'aimant d'analyse à 90°. Le hall d'expérimentation Amande se trouve de l'autre côté du mur situé à droite.
(c) Francesco Acerbis / IRSN

​Les neutrons monoénergétiques sont obtenus à l’aide de faisceaux d’ions (protons ou deutons ). Ces particules sont accélérées à une énergie donnée et dirigées sur une cible constituée d’un dépôt de quelques microns d'épaisseur sur un support métallique. Les ions accélérés interagissent avec les noyaux des éléments chimiques constitutifs du dépôt de la cible et produisent ainsi des neutrons. Le dépôt est soit du scandium, du lithium ou du titane dans lequel est occlus du tritium ou du deutérium.
 
Le faisceau de particules positives, qui génère les neutrons, est obtenu en deux étapes. Dans un premier temps, des ions négatifs d’hydrogène et de deutérium (H- et D-) sont accélérés par une différence de potentiel jusqu'au centre du tube accélérateur, où leur charge est inversée en traversant un flux d’azote qui leur arrache deux électrons. Ils sont ainsi transformés en protons ou deutons (i.e. noyaux stables formés d'un proton et d'un neutron) et ces ions devenus positifs 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 de la réaction utilisée (et donc de l’élément chimique constituant la cible). La résolution du pic mono-énergétique dépend principalement du type et de l'épaisseur de dépôt choisi pour la cible. Plusieurs épaisseurs de cibles sont donc utilisées.

Pour générer des neutrons d’une énergie spécifique, l’installation agit sur l’énergie des particules arrivant sur la cible à l’aide de deux aimants : un aimant de déviation de 15° situé après la source sélectionne le type d’ion (proton ou deuton) à accélérer ; et un aimant d’analyse de 90°, situé à la sortie de l’accélérateur, définit l'énergie souhaitée pour les particules. L’énergie des neutrons varie également en fonction de l’angle d’émission de ceux-ci par rapport à la direction du faisceau d’ions. Cette propriété est utilisée pour étendre le domaine en énergie des champs neutroniques monoénergétiques disponibles : il suffit de placer le détecteur à étalonner à un angle d’émission donné. Toutefois l’angle de 0° (dans l’axe du faisceau) est privilégié autant que possible du fait de meilleures caractéristiques (énergie et fluence maximale, contribution minimale des neutrons diffusés, homogénéité optimale du champ sur la surface du détecteur). La gamme d'énergie de neutrons produits 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.

​L’accélérateur d'ions d'Amande, un TandetronTM  de 2 MV, a été conçu de manière à avoir une très faible dispersion en énergie du faisceau d’ions (environ 500 eV), une très grande stabilité en énergie (d’environ 100 eV) et permet de définir l’énergie (grâce à son système de régulation de la haute tension accélératrice par l’aimant de déviation à 90°) avec une erreur relative inférieure à 6×10-4. Une haute tension positive (jusqu'à 2 MV) est appliquée au centre de l'accélérateur à l'aide d'un système de redressement de courant, sans aucun transport mécanique de charges, d'où l’excellente stabilité en énergie du faisceau d’ions. Amande permet d'accélérer en continu ou en mode pulsé des protons et des deutons à des énergies 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 de leur temps de parcours sur une distance connue.

​Accélérateur ​TandetronTM de 2 MV de l'installation Amande.
(c) Francesco Acerbis / IRSN
​Accélérateur ​TandetronTM de 2 MV de l'installation Amande.
(c) Francesco Acerbis / IRSN

​L’accélérateur d'ions d'Amande, un TandetronTM  de 2 MV, a été conçu de manière à avoir une très faible dispersion en énergie du faisceau d’ions (environ 500 eV), une très grande stabilité en énergie (d’environ 100 eV) et permet de définir l’énergie (grâce à son système de régulation de la haute tension accélératrice par l’aimant de déviation à 90°) avec une erreur relative inférieure à 6×10-4. Une haute tension positive (jusqu'à 2 MV) est appliquée au centre de l'accélérateur à l'aide d'un système de redressement de courant, sans aucun transport mécanique de charges, d'où l’excellente stabilité en énergie du faisceau d’ions. Amande permet d'accélérer en continu ou en mode pulsé des protons et des deutons à des énergies 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 de leur temps de parcours sur une distance connue.

​​Un soin particulier a été apporté à l'aire expérimentale pour réduire le bruit de fond pouvant compliquer la caractérisation précise des champs de rayonnement. La cible est située à 7,2 mètres du sol, au centre d'une fosse de 6 mètres de rayon entourée d'un caillebotis métallique. Le hall d'expérimentations de 400 m² est entouré de parois métalliques limitant la contribution des neutrons diffusés à la mesure. En outre, un système automatisé (bras mobiles) permet le positionnement précis et reproductible des détecteurs à une distance comprise entre 50 cm et 6 mètres de la cible, et dans une plage angulaire de –150° à +150° par rapport à l'axe du faisceau de particules chargées. L'incertitude induite sur la fluence neutronique est inférieure à 0,1 %. Enfin, le hall d'expérimentation est équipé d'un système de régulation de température et d'hygrométrie par rideau d'air autour de la zone d'étalonnage, afin de s’approcher au mieux, au moment et à l'endroit de la mesure, des conditions de référence spécifiées dans les normes internationales.

06danstxt-AMANDE_descriptif-legendes2.JPG 

​Pilier soutenant le dispositif d'expérimentation (visible à travers le filet) situé à 6 mètres au dessus du sol.
(c) Francesco Acerbis / IRSN
​Pilier soutenant le dispositif d'expérimentation (visible à travers le filet) situé à 6 mètres au dessus du sol.
(c) Francesco Acerbis / IRSN

​​Un soin particulier a été apporté à l'aire expérimentale pour réduire le bruit de fond pouvant compliquer la caractérisation précise des champs de rayonnement. La cible est située à 7,2 mètres du sol, au centre d'une fosse de 6 mètres de rayon entourée d'un caillebotis métallique. Le hall d'expérimentations de 400 m² est entouré de parois métalliques limitant la contribution des neutrons diffusés à la mesure. En outre, un système automatisé (bras mobiles) permet le positionnement précis et reproductible des détecteurs à une distance comprise entre 50 cm et 6 mètres de la cible, et dans une plage angulaire de –150° à +150° par rapport à l'axe du faisceau de particules chargées. L'incertitude induite sur la fluence neutronique est inférieure à 0,1 %. Enfin, le hall d'expérimentation est équipé d'un système de régulation de température et d'hygrométrie par rideau d'air autour de la zone d'étalonnage, afin de s’approcher au mieux, au moment et à l'endroit de la mesure, des conditions de référence spécifiées dans les normes internationales.

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Partie basse du hall d'expérimentation de l'installation Amande, située sous le dispositif supportant la cible et les détecteurs.
(c) Francesco Acerbis / IRSN
Partie basse du hall d'expérimentation de l'installation Amande, située sous le dispositif supportant la cible et les détecteurs.
(c) Francesco Acerbis / IRSN

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 ne peut être déterminé avec exactitude. En effet, l’émission neutronique dépend de sections efficaces de réaction assez mal connues ainsi que des caractéristiques de la cible ayant de grandes incertitudes (épaisseur, densité du dépôt, etc.) et susceptibles d’évoluer au cours du temps. Aussi, afin de définir les grandeurs de référence (fluence, équivalent de dose, énergie), l’utilisation d’étalons expérimentaux (des détecteurs ou des méthodes de référence) est-elle nécessaire.

​L’étalon de référence pour la fluence sur Amande est un "long compteur" développé par l’IRSN : il s'agit d'un détecteur de neutrons de basse énergie (tube cylindrique rempli de gaz 3He) placé au sein d’une enceinte modératrice dont la géométrie a été optimisée afin d’obtenir une grande sensibilité constante sur la gamme d’énergie entre quelques eV et plusieurs MeV. Ce détecteur a été préalablement étalonné sur l’irradiateur Van Gogh (source de 252Cf) de l’IRSN. Il permet de déterminer la fluence neutronique avec une exactitude relative de l’ordre de 3 %. Cette fluence de référence est mesurée (ou ramenée après correction de distance) au point d’étalonnage par unité de comptage dans des moniteurs (détecteurs neutrons) placés en des points fixes du hall expérimental d’Amande. Les équivalents de doses ambiant et personnel sont obtenus à partir de la fluence en appliquant un coefficient de conversion tabulé dans des recommandations internationales.
 
Pour l’énergie au-delà de 1 MeV, l’étalon de référence est la méthode du temps de vol avec un scintillateur liquide. L’incertitude relative associée à l’énergie est de 1,5 %. Cet étalon permet de valider le calcul, par la cinématique des réactions nucléaires, de l’énergie du champ de rayonnement à partir de la connaissance précise de l’énergie du faisceau incident et des caractéristiques de la cible.

 

François Vianna, ingénieur chercheur au LMDN, met en place d'un "cône d'ombre" constitué d'acier et de polyéthylène. Celui-ci stoppe les neutrons issus de la cible et atteignant directement le détecteur situé derrière. Il permet ainsi de mesurer et de soustraire la contribution des neutrons diffusés aux mesures du détecteur.
(c) Francesco Acerbis / IRSN

Déterminations des grandeurs de référence en fluence et en énergie

Déterminations des grandeurs de référence en fluence et en énergie
François Vianna, ingénieur chercheur au LMDN, met en place d'un "cône d'ombre" constitué d'acier et de polyéthylène. Celui-ci stoppe les neutrons issus de la cible et atteignant directement le détecteur situé derrière. Il permet ainsi de mesurer et de soustraire la contribution des neutrons diffusés aux mesures du détecteur.
(c) Francesco Acerbis / IRSN

​​Dans le cas d’une installation produisant des neutrons avec un accélérateur, le débit d’émission neutronique ne peut être déterminé avec exactitude. En effet, l’émission neutronique dépend de sections efficaces de réaction assez mal connues ainsi que des caractéristiques de la cible ayant de grandes incertitudes (épaisseur, densité du dépôt, etc.) et susceptibles d’évoluer au cours du temps. Aussi, afin de définir les grandeurs de référence (fluence, équivalent de dose, énergie), l’utilisation d’étalons expérimentaux (des détecteurs ou des méthodes de référence) est-elle nécessaire.

​L’étalon de référence pour la fluence sur Amande est un "long compteur" développé par l’IRSN : il s'agit d'un détecteur de neutrons de basse énergie (tube cylindrique rempli de gaz 3He) placé au sein d’une enceinte modératrice dont la géométrie a été optimisée afin d’obtenir une grande sensibilité constante sur la gamme d’énergie entre quelques eV et plusieurs MeV. Ce détecteur a été préalablement étalonné sur l’irradiateur Van Gogh (source de 252Cf) de l’IRSN. Il permet de déterminer la fluence neutronique avec une exactitude relative de l’ordre de 3 %. Cette fluence de référence est mesurée (ou ramenée après correction de distance) au point d’étalonnage par unité de comptage dans des moniteurs (détecteurs neutrons) placés en des points fixes du hall expérimental d’Amande. Les équivalents de doses ambiant et personnel sont obtenus à partir de la fluence en appliquant un coefficient de conversion tabulé dans des recommandations internationales.
 
Pour l’énergie au-delà de 1 MeV, l’étalon de référence est la méthode du temps de vol avec un scintillateur liquide. L’incertitude relative associée à l’énergie est de 1,5 %. Cet étalon permet de valider le calcul, par la cinématique des réactions nucléaires, de l’énergie du champ de rayonnement à partir de la connaissance précise de l’énergie du faisceau incident et des caractéristiques de la cible.

 

Applications

​​Les champs neutroniques monoénergétiques produits par Amande sont 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 la radioprotection,
• 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.

Concernant les instruments de radioprotection, une attention particulière est portée sur l’étalonnage en équivalent de dose. La gamme d'énergie des neutrons rencontrés par les travailleurs exposés est très étendue et nécessite une surveillance spécifique pour les neutrons combinée à celle des rayons gamma. Ces travailleurs exercent une activité dans les domaines nucléaire, médical, aéronautique et spatial.


Salle de commande de l'installation Amande (c) Francesco Acerbis / IRSN 

Au premier plan, le tableau de commande du système automatisé de déplacement et de positionnement des instruments de mesure. Au second plan, le "long compteur" : détecteur de neutrons, étalon de référence pour la fluence sur l'installation Amande.
(c) Francesco Acerbis / IRSN​

Applications

Applications
Au premier plan, le tableau de commande du système automatisé de déplacement et de positionnement des instruments de mesure. Au second plan, le "long compteur" : détecteur de neutrons, étalon de référence pour la fluence sur l'installation Amande.
(c) Francesco Acerbis / IRSN​

​​Les champs neutroniques monoénergétiques produits par Amande sont 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 la radioprotection,
• 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.

Concernant les instruments de radioprotection, une attention particulière est portée sur l’étalonnage en équivalent de dose. La gamme d'énergie des neutrons rencontrés par les travailleurs exposés est très étendue et nécessite une surveillance spécifique pour les neutrons combinée à celle des rayons gamma. Ces travailleurs exercent une activité dans les domaines nucléaire, médical, aéronautique et spatial.


Salle de commande de l'installation Amande (c) Francesco Acerbis / IRSN 

Caractéristiques des faisceaux générés par l'installation Amande

11 amande-tableau-reactions-nucleaires2.jpg 

​Gros plan sur la cible en bout de ligne de faisceau de l'installation Amande. L'énergie des neutrons générés dépend de la réaction utilisée et du type de dépôt de la cible. C'est le support métallique de la cible (en argent ou en tantale) qui est ici visible, le dépôt mince est situé de l'autre côté dans la partie sous vide de la ligne de faisceau.
(c) Francesco Acerbis / IRSN
Caractéristiques des faisceaux générés par l
​Gros plan sur la cible en bout de ligne de faisceau de l'installation Amande. L'énergie des neutrons générés dépend de la réaction utilisée et du type de dépôt de la cible. C'est le support métallique de la cible (en argent ou en tantale) qui est ici visible, le dépôt mince est situé de l'autre côté dans la partie sous vide de la ligne de faisceau.
(c) Francesco Acerbis / IRSN

Caractéristiques des faisceaux générés par l'installation Amande

11 amande-tableau-reactions-nucleaires2.jpg 

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 dénommée Mircom​ est utilisée pour des expériences de radiobiologie.

​Bâtiments abritant les installations Amande et Mircom.
(c) Francesco Acerbis / IRSN

L’installation Mircom

L’installation Mircom
​Bâtiments abritant les installations Amande et Mircom.
(c) Francesco Acerbis / IRSN

​​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 dénommée Mircom​ est utilisée pour des expériences de radiobiologie.