SFP-Journées Accélérateurs

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

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

3. Laboratoire des Accélérateurs ÉlectroStatiques LAES (I) Département dePhysiqueThéorique etAppliquée(DPTA) Service dePhysique des Accélérateurs etApplications(SP2A) 11 personnes2 ingénieurs – chercheurs (annexe I) 9 opérateurs machine (annexe II) correspondant utilisateur GSR cibles de production spécialistes technique de vide, mécanique…… 2 accélérateurs électrostatiquesVan de Graaff 4 MVVan de Graaff – tandem 7 MV

4. Laboratoire des Accélérateurs ÉlectroStatiques LAES (II) 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) Vieillissement (DRMN,DCRE,DPTA) Etalonnage détecteurs neutron (DCRE,DPTA,DRMN) 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

5. Laboratoire des Accélérateurs ÉlectroStatiques LAES (III) 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 Mesures, analyse et amélioration Management des ressources Réalisation du produit PRODUIT Suite….. management environnemental norme ISO 14001

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

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

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

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

10. Les Accélérateurs ÉlectroStatiques Acc.(II) 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

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

12. Les Accélérateurs ÉlectroStatiques Acc. (IV) Caractéristiques des faisceaux d’ions de l’accélérateur électrostatique Van de Graaff –tandem 7 MV Source IBA :1H, 2HÉnergie 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, 4HeÉnergie 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

13. Domaine d’utilisation des accélérateurs électrostatiques Appli. (I) • 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

14. Physique Nucléaire Appli. (II) 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

15. Objectif principal est une exploration approfondie des sites célestes émissifs dans la bande spectrale des rayons gamma de basse énergie. INTEGRAL(International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory) mission astronomique de l'Agence Spatiale Européenne. Appli. (III) 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

16. Irradiation de culture de cellules Scintillator Ne102 + PM Feuille de fin de ligne (HAVAR) puits de culture de cellules 4 3 1 5 2 Appli. (IV) 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 109a/cm²/s

17. Production d’un champ de Neutrons Monocinétiques neutron (I) 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

18. Gamme d’énergie et Flux de neutrons neutron (II) réaction (p ou d) sur cibles solides => courant limité à 6 µA neutron/s/sr

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

20. Nécessité d’un faisceau pulsé et d’une compression associée Compression (I) 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

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

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

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

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

25. 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)