Générateur de neutrons

Un générateur de neutrons est une machine source de neutrons, permettant de produire un faisceau de neutrons monoénergétiques. Il se distingue des sources isotopiques de neutrons par sa capacité à produire des neutrons « à la demande » dans diverses configurations : faisceaux pulsés, énergies différentes, etc. Les générateurs de neutrons sont principalement utilisés comme amorces dans les armes nucléaires et servent également à analyser la matière par les différents rayonnements induits par les neutrons lorsqu'ils rencontrent des atomes (prospection minière, détection d'explosifs...).

Le fonctionnement d'un tel générateur repose sur une réaction nucléaire de fusion de noyaux d'isotopes lourds de l'hydrogène : deutérium et tritium. Le deutérium ionisé est propulsé par un champ électrique sur une cible (principalement en titane) enrichie en tritium ou en deutérium.

Deux types de réactions sont utilisées, fournissant des neutrons de deux énergies :

• (D,D) : production de neutrons de 2,5 MeV ;
• (D,T) : production de neutrons de 14,1 MeV.

Des débits de fluence importants peuvent ainsi être produits, jusqu'à 10¹⁰ neutrons/s émis sur 4 π sr.

Les petits générateurs à neutrons utilisant les réactions de fusion du deutérium (noté D, hydrogène-2, ou ²H) et du tritium (T, hydrogène-3, ou ³H) sont les plus courantes source de neutrons basées sur un accélérateur^[pas clair] (par opposition aux isotopes radioactifs). Les neutrons sont produits dans ces systèmes en créant des ions de deutérium et de tritium et en les accélérant dans une cible d'hydrure chargée de deutérium et éventuellement de tritium. La réaction DT est plus utilisée que la réaction DD car son rendement est 50 à 100 fois.

D + T → n + ⁴He 2em E _n = 14,1 MeV

D + D → n + ³He 2em E _n = 2,5 MeV

Les neutrons produits par les réactions DD et DT sont émis de manière quelque peu anisotrope par la cible, légèrement détournés dans la direction avant (dans l'axe du faisceau d'ions). Cette anisotropie provient du fait que les réactions sont isotropes dans le système de coordonnées du centre d'inertie, mais que cette isotropie est perdue lors de la transformation de ce système de coordonnées au référentiel du laboratoire^{[C'est-à-dire ?]}. Dans ces deux référentiels, les noyaux de l’atome d’hélium reculent dans la direction opposée à celle du neutron émis, conformément à la loi de conservation de la quantité de mouvement.

La pression du gaz, dans la région de la source d'ions des tubes à neutrons, se situe généralement entre 0,1 et 0,01 mmHg. Le libre parcours moyen des électrons doit être plus court que l'espace de décharge pour obtenir l'ionisation (limite inférieure de pression), tandis que la pression doit être maintenue suffisamment basse pour éviter la formation de décharges aux tensions d'extraction élevées appliquées entre les électrodes. La pression dans la région d'accélération doit cependant être beaucoup plus faible, car le libre parcours moyen des électrons doit être plus long pour empêcher la formation d'une décharge entre les électrodes à haute tension^[1].

L'accélérateur d'ions est généralement constitué de plusieurs électrodes à symétrie cylindrique, agissant comme une lentille d'Einzel. Le faisceau d'ions peut ainsi être focalisé en un point précis de la cible. Les accélérateurs requièrent généralement des alimentations électriques de 100 à 500 kV, généralement constituées de plusieurs étages entre lesquels la tension ne dépassant pas 200 kV pour éviter l'émission de champ^[1].

Comparativement aux sources de neutrons à base de radionucléides, les tubes à neutrons peuvent produire des flux de neutrons beaucoup plus élevés et des spectres d'énergie de neutrons cohérents (monochromatiques). Leur taux de production de neutrons peut également être contrôlé^[1].

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