La diffusion des neutrons thermiques est utilisée par une très large communauté – 8.000 scientifiques en Europe – pour l'étude de la matière condensée et la science des matériaux. Jusqu'à présent, cette demande était satisfaite par des réacteurs nucléaires de recherche, dont beaucoup sont aujourd'hui vieillissants, avec un arrêt programmé.
En 2023, la source européenne ESS (European Spallation Source) sera mise en service avec des faisceaux de neutrons près de cent fois plus intenses, ce qui permettra de raccourcir significativement la durée des acquisitions de données. Mais à l'horizon 2030, les spécialistes pronostiquent qu'ESS ne répondra qu'à la moitié des besoins. C'est pourquoi les chercheurs étudient à la faisabilité de sources compactes de neutrons (Compact Accelerator-based Neutron Sources, Cans) à partir d'accélérateurs de protons de basse énergie. Ils espèrent ainsi obtenir des performances qui se rapprochent de celles des réacteurs.
Avec le soutien de la région Île-de-France, des physiciens de l'Irfu et de l'Iramis développent depuis 2018 le démonstrateur Iphi-Neutrons, qui utilise Iphi (Injecteur de protons à haute intensité), un prototype de la partie basse énergie des accélérateurs de particules de future génération, à fort courant de protons.
Iphi-Neutrons est composé d'un accélérateur de protons d'énergie égale à 3 MeV (2 GeV pour ESS), d'une cible en béryllium ou lithium et d'un extracteur de neutrons. Sur des cibles de noyaux légers (9Be, 7Li), les protons incidents provoquent des réactions nucléaires qui s'accompagnent de l'émission de neutrons. Les neutrons produits sont ralentis grâce à un modérateur en polyéthylène puis extraits et dirigés vers l'expérience.
Une série d'expériences avec des neutrons produits par Iphi-Neutrons a été réalisée en 2019 avec une puissance de 3 kW pendant 60 heures : neutronographie, diffraction de neutrons, réflectométrie de neutrons aux petits angles. Aucun endommagement de la cible n'a été observé. Ce point est particulièrement encourageant car la durabilité de la cible sous forte irradiation est identifiée comme un point critique. La température élevée de la cible (500°C) faciliterait la diffusion des protons et permettrait d'éviter les phénomènes de cloquage.
Ces mesures sont très prometteuses pour la suite du programme, à savoir la validation des technologies qui permettront de construire une source encore plus performante (20 MeV, 50 kW) : Sonate (Source of Neutrons at Thermal Energies). Le projet Sonate vise à fournir, sous 10 ans, des faisceaux de neutrons pulsés à une dizaine de spectromètres de diffusion neutronique.
En savoir plus sur Sonate.
Des neutrons pour explorer la matière à l'échelle atomique et moléculaire
Dès la construction des premiers réacteurs nucléaires au début des années 1950, les neutrons thermiques ont été utilisés pour l'étude de la matière condensée. Les neutrons thermalisés à 300 K dans le modérateur d'un réacteur ont en effet une longueur d'onde de l'ordre d'une fraction de nanomètre, idéale pour explorer la matière à l'échelle atomique et moléculaire.
Une deuxième propriété remarquable est que l'énergie cinétique de ces neutrons est de l'ordre de quelques meV, ce qui rend ces particules particulièrement sensibles aux excitations dans la matière condensée (phonons ou magnons). Sur les appareils les plus performants, la résolution de l'analyse en énergie des neutrons diffusés est de l'ordre de quelques neV.
Contrastant avec celles des rayons X, les autres propriétés remarquables des neutrons sont leur forte interaction avec les atomes d'hydrogène, particulièrement utile pour l'étude de la matière « molle », et leur forte interaction magnétique, essentielle pour la détermination des structures magnétiques.
Ces apports très spécifiques de la diffusion de neutrons à l'étude de la matière condensée ont conduit à la construction de réacteurs de recherche dédiés à la diffusion neutronique, comme le réacteur Orphée associé au Laboratoire Léon-Brillouin (UMR CEA-CNRS).