Description

Le CEA et le CNRS ont lancé une initiative de conception d’une nouvelle source de neutrons utilisant des accélérateurs de protons de basse énergie, le projet ICONE [1]. L’objectif est de construire une installation qui offrira une suite instrumentale d’une dizaine de spectromètres mise à la disposition de la communauté scientifique française et européenne. Le projet est actuellement dans la phase d’Avant-Projet Détaillé avec pour objectif d’affiner autant que possible tous les aspects techniques.
Sur une source comme ICONE, des neutrons rapides sont produits par des réactions nucléaires proton – béryllium. Les expériences de diffusion neutronique nécessitent cependant des neutrons thermiques et froids. La conception du modérateur est donc une pièce essentielle du projet pour maximiser les performances de la source. Il est d’ores et déjà prévu d’implémenter le concept de modérateur de basse dimensionnalité sur la source ICONE afin d’augmenter la brillance de la source.
Une autre piste d’amélioration des performances du modérateur est d’améliorer l’efficacité du réflecteur et plus spécifiquement le réflecteur de neutrons froids. Historiquement, des matériaux massifs sont utilisés, tels que le béryllium ou le plomb. Leurs propriétés reposent sur les propriétés d’interaction nucléaire et ne profitent pas des spécificités des neutrons froids.
Dans cette étude nous proposons d’étudier les propriétés spécifiques de diffusion des neutrons froids sur des matériaux nanostructurés. En effet les neutrons froids ont de grandes longueurs d’ondes (> 0.4nm) et peuvent donc être diffusés de manière cohérente par des matériaux nanostructurés. L’efficacité de diffusion est non seulement démultipliée par les effets de diffusion cohérente mais il est potentiellement possible d’orienter cette diffusion si le matériau réflecteur est anisotrope. Cette maitrise de la direction de diffusion peut permettre d’encore augmenter la brillance du modérateur.
Une première partie du travail consistera à identifier les matériaux nanostructurés les plus prometteurs et à modéliser les performances de réflectivité des neutrons froids. Pour des raisons techniques liées à l’absorption des neutrons, la piste la plus prometteuse est celle de matériaux carbonés de type nanofils de carbone qui combinent une faible absorption des neutrons et des dimensions très petites. Le deuxième candidat sont des systèmes multicouches de très faibles épaisseurs (~nm) qui permettent d’augmenter la réflectivité des neutrons par des effets de cohérence. Les performances de ces matériaux seront modélisées pour obtenir des performances optimales dans le contexte de leur utilisation dans un modérateur de neutrons froids pour augmenter la brillance de la source.
Dans une deuxième étape, ces matériaux seront mis en forme et leurs propriétés seront caractérisées sur des appareils de diffusion neutronique auprès d’installations de diffusion neutronique telles que l’ILL à Grenoble ou le PSI en Suisse.
Le candidat doit être titulaire d’un diplôme de Master 2 et avoir une bonne affinité pour la modélisation numérique. Ces matériaux seront utilisés dans un régime de diffusion multiple sur des matériaux anisotrope qui est un domaine encore très peu exploré. Une partie importante du travail consistera à réalisation des modélisations numériques soit en développant des codes spécifiques, soit en modifiant des codes existants (ex. NCrystal).

Compétences requises

Le candidat doit être titulaire d’un diplôme de Master 2 donnant des compétences solides dans le domaine des phénomènes d'interaction Onde - Matière (phénomènes de diffusion et de diffraction). Il devra avoir une bonne affinité pour la modélisation numérique. Une partie importante du travail consistera à réaliser des modélisations numériques soit en développant des codes spécifiques, soit en modifiant des codes existants (ex. NCrystal). Le sujet comporte une partie expérimentale mais le développement instrumental proprement dit sera limité. Cependant une bonne capacité d'analyse des données est souhaitée.

Bibliographie

https://www.icone-neutron.fr/

Using OpenMC in simulations of a low dimensional cold neutron moderator or the ICONE project. R. Wagner, F. Ott and J. Darpentigny,
EPJ Web Conf. 302 (2024), DOI 10.1051/epjconf/202430207011

ICONE – Towards a French HiCANS Neutron Source for materials science and industry
Frédéric Ott, Jacques Darpentigny, Burkhard Annighöfer et al, EPJ Web of Conferences 286, 02001 (2023). https://doi.org/10.1051/epjconf/202328602001

Development of nanosized graphene material for neutron intensity enhancement below cold neutron energy. Makoto Teshigawara et l, Journal of Neutron Research 26 (2024) 69–74 69 DOI 10.3233/JNR-240002

Powders of Diamond Nanoparticles as a Promising Material for Reflectors of Very Cold and Cold Neutrons. Egor Lychagin et al, Nanomaterials 2024, 14, 387. https://doi.org/10.3390/nano14040387

Mots clés

neutron, coherence, diffraction, diffusion, moderation