FR2734638A1 - Dispositif de neutronographie - Google Patents

Abstract

Le dispositif, destiné à fournir une source de neutrons thermiques (SNT-26) à partir d'un tube générateur de neutrons (TG-17) du type D-T est constitué par une tête d'examen (2) manoeuvrable comportant: un ensemble collimateur (EC-14) formant un angle avec l'axe du TG (17), et qui comporte, à son extrémité interne amincie ladite SNT (26) et un dispositif thermaliseur dont l'enveloppe (12) supporte le TG (17) et le EC (14) de façon que les deux sources de neutrons rapides (21) et thermiques (26) se trouvent rapprochées au centre. Selon l'invention, le dispositif thermaliseur est constitué par la combinaison d'un coeur, ou se trouvent les deux sources de neutrons en matériau ralentisseur léger, tel que H, Be, et d'une gaine (12), autour de ce coeur en au moins un matériau lourd, tel que W, Mo, Pb ou Bi, faisant office de modérateur, de réflecteur et de multiplicateur pour les neutrons rapides. Application: analyse de structures d'avions.

Description

Description
La présente invention concerne un dispositif de neutronographie destiné à fournir une source de neutrons thermiques collimatés à partir d'une source de neutrons rapides d'énergies supérieures à plusieurs MeV, constitué par une tête d'examen qui peut être manoeuvrée, conçu pour recevoir, dans un fourreau métallique, un tube générateur de neutrons muni d'une partie d'extrémité amincie entourant une cible qui constitue ladite source de neutrons rapides, et comportant - un ensemble collimateur dont l'axe forme un angle avec celui
dudit fourreau et qui comporte, en prolongement d'une
extrémité amincie ladite source de neutrons thermiques, - et un dispositif thermaliseur de neutrons dont l'enveloppe
supporte ledit fourreau et ledit ensemble collimateur de
façon telle que lesdites sources de neutrons rapides et
thermiques soient situées à proximité l'une de l'autre près
du centre du dispositif thermaliseur.

Dans le domaine du contrôle non destructif, la neutronographie est très utile en complément de l'analyse par rayons X notamment car les matières qui sont transparentes pour un type de rayonnement ne le sont généralement pas pour 1' autre.

L'invention s'applique typiquement à l'analyse de structures d'avions au moyen d'un équipement de neutronographie, constitué par le dispositif de neutronographie proprement dit et une caméra de prise de vue pour neutrons thermiques, pour y déceler des traces éventuelles de corrosion ou le bon état des colles qui solidarisent ces structures notamment. Pour ce type d'applications, il convient que l'équipement d'analyse soit manoeuvrable et donc qu'il ait une masse pas trop grande.

Une autre application importante concernant l'aéronautique est l'inspection d'ailettes et arbres de turbines, soit pour des ailettes creuses (à refroidissement) monocristallines à la fabrication, soit pour des ailettes classiques, lors des inspections d'entretien.

Un autre secteur du marché pour lequel il est utile d'avoir un équipement déplaçable, sinon manoeuvrable, est celui du contrôle des dispositifs pyrotechniques et des munitions.

Plus généralement, on notera que cette méthode particulière de contrôle non destructif est particulièrement efficace pour les matériaux à numéros atomiques faibles dont l'industrie fait un usage de plus en plus fréquent tels les matériaux composites, les céramiques, etc...

La neutronographie qui est visée ici s'effectue au moyen de neutrons thermiques c'est-à-dire dont la vitesse a été réduite à celle de l'agitation thermique des molécules environnantes (énergie de 0,025 eV environ). Or, les sources de neutrons dont on dispose fournissent des neutrons dont l'énergie peut aller de 1 keV à plus de 20 MeV, qu'il est nécessaire de thermaliser moyennant la perte de presque tout le flux initial (par captures par des noyaux de la matière environnante, essentiellement).

Les réacteurs nucléaires de recherche ont d'abord été utilisés comme sources de neutrons. Ils peuvent fournir des débits de fluence compris entre 1011 et 1015 neutrons thermiques par cm2 et par seconde.

A de rares exceptions près, seules les sources de californium 252 sont utilisées en pratique à ce jour pour réaliser des équipements de neutronographie mobiles et manoeuvrables. Pour mémoire, des cyclotrons, des générateurs de Van de Graaf, ou des accélérateurs linéaires d'ions ont été utilisés dans des installations expérimentales de neutronographie mais celles-ci étaient non mobiles et encore moins manoeuvrables. Les sources de Cf 252 délivrent des neutrons avec un spectre énergétique de fission s'étalant de quelques keV à 15 MeV de telle sorte que 72 % des neutrons émis ont des énergies comprises entre 0,4 MeV et 3,7 MeV.

Grâce à un modérateur de polyéthylène haute densité (PE-HD), il est possible d'obtenir un débit de fluence pratique en neutrons thermiques de 5.108 cm-2s-l avec une source de 50 mg de
Cf 252. Ce genre d'équipement est utilisé notamment par l'Armée de l'air des Etats-Unis, au Sacramento Ai2 Logic
Center (SALC).

De tous les équipements précités, dont les sources peuvent délivrer au moins 1011 neutrons cm2s1, seuls ceux qui utilisent du Cf 252 peuvent être considérés comme industriels mais ils présentent deux défauts majeurs, dus au fait que la source, radioactive, ne saurait être arrêtée d'où : - la nécessité de forts blindages, ce qui implique un matériel
lourd et encombrant qui requiert de gros appareils de levage
pour le manoeuvrer - un problème de sécurité lié à l'émission radioactive
permanente qui limite les conditions d'introduction d'un tel
matériel dans une usine (dans un hangar pour avions
notamment).

En outre, à titre d'inconvénient moins grave que les deux précédents, on notera que le fonctionnement permanent de la source provoque une usure rapide du matériau de ralentissement des neutrons utilisé (le PE-HD notamment).

Les générateurs de neutrons à tube scellé, qu'il soient du type D-D (réaction de fusion nucléaire deutériumdeutérium) ou du type D-T (réaction de fusion nucléaire deutérieum-tritium), ces tubes étant appelés, pour faire court, tube D-D et tube D-T, ne présentent pas les inconvénients précités de la source à Cf 252 mais ils soulèvent d'autres problèmes.

La réaction D-D fournit des neutrons ayant une énergie cinétique de 2,5 MeV environ, assez faciles à thermaliser par des moyens classiques. Cependant, un tube D-D est à même d'émettre seulement 1 à 5 x 1010 neutrons de 2,5 MeV par seconde, ce qui permet d'obtenir, à l'entrée du collimateur, environ 0,5 à 1 x 108 neutrons thermiques (de 0,025 eV) par cm2 et par seconde. Ceci se traduit par un temps d'exposition très long pour chaque pièce à analyser.

L'invention vise à fournir un dispositif de neutronographie dont le débit de fluence en neutrons thermiques soit plus de 10 fois supérieur à ce que permet l'utilisation d'un tube D-D.

A cette fin, l'invention met en oeuvre, de préférence, un tube
D-T qui permet d'obtenir une émission nominale de 4 > < x 101l 1011 neutrons de 14 MeV par seconde, tel par exemple le tube MEN 46 de la société SODERN, sise 20 avenue Descartes 94450 Limeil-Brévannes - France, soit un débit 8 à 40 fois plus élevé que celui d'un tube D-D. A ce sujet, on notera qu'un tube D-T peut aller jusqu'à une
12 émission de 1012 neutrons rapides par seconde mais au-delà de cette limite, il subirait une baisse de durée de vie qui lui enlèverait tout intérêt pratique. Les tubes D-T utilisent la réaction de fusion d(T,n) et contiennent donc un produit radioactif, le tritium. Celui-ci est toutefois classé dans la catégorie la moins dangereuse des produits radioactifs par la réglementation des matières dangereuses.Le tube MEN 46 précité a 95 cm de long pour 25 cm de diamètre et un poids de 75 kg environ.

Grâce à un modérateur convenablement choisi, le générateur de neutrons thermiques du type statique qui utilise un tube MEN 46 permet d'obtenir de l'ordre de 109 neutrons thermiques par cm2/s à l'entrée du collimateur, ce qui constitue déjà un gain sensible par rapport à l'état de l'art existant ; on peut se reporter à ce sujet à la publication "Thermal Neutron Source Using a Sealed Neutron
Tube" de J. Cluzeau, J. Huet, P. Le Tourneur, J.L. Ma - Proceedings of the Fourth World Conference on Neutron
Radiography - San Francisco, U.S.A., May 10-16, 1992, dite publication PN dans le présent texte.

On connaît par ailleurs du brevet européen
EP-O 183 818 B1, un dispositif de neutronographie manoeuvrable qui utilise un tube scellé du type D-T comme source de neutrons rapides. Dans ce dispositif, le modérateur de neutrons est constitué par un fluide fortement hydrogéné comme de l'eau ou comme un fluide organique convenable, tel de l'huile pour transformateurs de haute pureté.

Le problème technique précis que se propose de résoudre l'invention est d'optimiser essentiellement le dispositif thermaliseur de neutrons rapides fournis par un tube D-T, éventuellement adapté à ce thermaliseur, dans le but d'augmenter le flux de neutrons thermiques résultant car ce flux peut sembler encore un peu faible pour des applications à la neutronographie. Cependant, les progrès déjà faits et à prévoir pour le traitement d'images et pour les caméras en neutronographie, notamment des caméras électroniques fonctionnant par comptage de neutrons thermiques, justifient une telle optimisation visant à augmenter le flux de neutrons, ne serait-ce que dans un rapport compris entre 1,5 et 7 environ, par rapport aux performances figurant à ce jour dans la littérature technique.

De façon connue, la source de neutrons primaires (ici la cible du tube D-T) est entourée d'un volume de matériau modérateur dans lequel est percée une ouverture, en général perpendiculaire à l'axe du tube, par laquelle s'échappent les neutrons thermiques utiles. Cette ouverture d'extraction doit être pratiquée au sein du modérateur au lieu géométrique où le débit de fluence en neutrons thermiques XE est maximum. Cette ouverture, de surface S et de diamètre D, laisse alors passer un nombre de neutrons égal à XE S.

L'objet analysé, disposé à une distance L de l'ouverture, reçoit un flux fs tel que Xs = 1/16 (D/L)2 fE
Par ailleurs, si 1 est la distance entre l'objet et le détecteur de la caméra, tout point de l'objet est représenté, sur le plan de détection, par une tache de diamètre d qui caractérise la résolution du système
d = (D/L)l
Le rapport D/L, appelé rapport de collimation, détermine à la fois le débit de fluence sur l'objet à tester, et le flou géométrique de l'image.

Avec un tube scellé, typique de l'état de l'art existant avant le tube MEN 46 précité, c'est-à-dire délivrant moins de 1011 neutrons de 14 MeV par seconde et un simple modérateur hydrogéné, il n'est pas possible d'obtenir XE
8 21 supérieur à 108 neutrons thermiques cm s . Le flux délivré sur l'objet est alors inférieur à 5 x 104 cm-2 x s-l X pour un rapport de collimation inversé L/D égal à 11, représentant déjà le seuil d'intérêt quant à la qualité de l'image. Avec un tel flux sur l'objet, le temps d'exposition avec les systèmes de prise d'image cohérents avec la qualité de la source, atteint malgré tout l'ordre de grandeur de 500 secondes, ce qui peut aussi être considéré comme une limite industrielle supérieure acceptable.Pour accéder à un domaine d'intérêt industriel, le but recherché par la présente invention est que l'une au moins des trois caractéristiques : Temps d'exposition - Résolution
Profondeur de champ, soit nettement améliorée et se trouve mieux centrée par rapport au besoin à satisfaire. La faiblesse relative de la source primaire devient alors un point fort car elle réduit fortement les exigences du dossier de sureté pour le dispositif de neutronographie. Une telle amélioration peut précisément être apportée en optimisant la définition de la source de neutrons thermiques (ralentissement des neutrons) et, complémentairement, en optimisant aussi l'ensemble collimateur disposé en regard de ladite source.

Selon l'invention, le but indiqué au paragraphe précédent est atteint et les inconvénients de l'art antérieur sont atténués grâce au fait que le dispositif de neutronographie défini au premier paragraphe est remarquable en ce que ledit dispositif thermaliseur est constitué par la combinaison d'un coeur en matériau ralentisseur de neutrons et d'une gaine, autour de ce coeur, en au moins un matériau lourd, faisant office de modérateur de réflecteur et de multiplicateur pour neutrons rapides, ayant un fort pouvoir de ralentissement des neutrons, un pouvoir multiplicateur de neutrons par réactions nucléaires du type n, 2n ;... et une section efficace de capture des neutrons thermiques modérée, ladite gaine en matériau lourd, d'une épaisseur comprise entre 5 et 10 cm, entourant ladite partie d'extrémité amincie du tube générateur de neutrons, englobant ladite source de neutrons thermiques et constituant la base dudit ensemble collimateur.

Un mode de réalisation préféré du dispositif de neutronographie selon l'invention est remarquable en ce qu'il comporte en outre une plaquette en matériau lourd faisant office de modérateur de neutrons rapides en transmission, d'une épaisseur comprise entre 0,5 et 2 cm, disposée entre ladite cible du tube générateur de neutrons rapides et ladite source de neutrons thermiques, ledit matériau lourd ayant un fort pouvoir de ralentissement des neutrons, un pouvoir multiplicateur de neutrons par réactions nucléaires du type n, 2n ; ... et une section efficace de capture des neutrons thermiques modérée.

Les petites sources primaires de neutrons concurrentes de tubes scellés (accélérateurs) délivrent, généralement de façon non isotrope, des neutrons d'énergie moyenne de quelques MeV seulement. Par contre les tubes scellés susceptibles d'être utilisés en neutronographie sont plutôt ceux qui utilisent la réaction de fusion d(T,n) 4He, comme on l'a vu ci-dessus, et délivrent donc des neutrons de 14 MeV de façon isotrope.

Les diagrammes d'émission et les énergies des neutrons étant fondamentalement différents pour ces deux types de sources, on peut s'attendre à ce que les systèmes modérateurs adaptés soient assez différents dans les deux cas.

Les accélérateurs utilisent des modérateurs assez voisins de ceux qui sont mis en oeuvre pour les réacteurs car les neutrons émis ont des spectres d'énergie assimilables en première approximation à des spectres de fission. Or, en dessous de 2 à 3 MeV, le seul processus efficace de ralentissement des neutrons est la diffusion élastique. Les matériaux couramment utilisés alors sont ceux qui ont des éléments à forte section efficace de diffusion élastique et faible section efficace de capture. Ceci explique que l'on rencontre les matériaux fortement hydrogénés, tels que eau légère, huile, PE-HD ..., parfois le carbone (graphite), rarement le deutérium (eau lourde) du fait de son coût élevé.

Certains chercheurs ont tenté d'utiliser ces mêmes matériaux avec des neutrons de 14 MeV ; le meilleur facteur de thermalisation obtenu expérimentalement avec extraction de neutrons est alors voisin de 1000. Un tel facteur de thermalisation permet au tube GENIE 46 précité, fabriqué par la société SODERN, ce tube du type D-T délivrant 4.10tut neutrons rapides s-', d'obtenir un débit de fluence de 4.108 neutrons thermiques cm-2s-l, dans un dispositif de neutronographie statique. Cette performance situe un tel dispositif en milieu de plage des petits dispositifs de neutronographie.

Outre les matériaux modérateurs légers à base d'hydrogène ou de carbone, il est connu, de la publication PN précitée : "Thermal Neutron Source Using a Sealed Neutron
Tube", qu'il est préférable d'utiliser une première couche modératrice centrale de matériaux lourds comme le Pb ou le Bi, entourée d'une enveloppe de PE-HD, pour thermaliser efficacement les neutrons rapides (de plus de 7 meV). Cet effet s'explique par le très fort ralentissement des neutrons d'énergie supérieure à quelques MeV par diffusions inélastiques des neutrons rapides sur les noyaux lourds, suivi par la forte thermalisation des neutrons d'énergies dégradées par les matériaux modérateurs classiques. Le Pb et le Bi ayant tous deux une forte section efficace de diffusion inélastique et une faible section efficace de capture sont donc des éléments particulièrement attractifs. La publication PN souligne aussi l'effet multiplicateur de neutrons du Pb et du
Bi en relation avec leurs fortes sections efficaces de réaction (n,2n) en neutrons rapides. Cette même publication PN identifie enfin le Be comme un élément modérateur exceptionnel, capable de réduire sensiblement la valeur du coefficient de thermalisation du fait de ses réactions (n,2n) et (y,n), de ses excellentes qualités de thermalisation, et de sa faible section efficace de capture. Les différents éléments de connaissance apportés ci-dessus montrent l'intérêt d'une optimisation soigneuse du modérateur pour obtenir un fort débit de fluence de neutrons thermiques malgré une faiblesse relative du débit de neutrons rapides.A partir de ces éléments de connaissance, l'idée de base de l'invention a été d'utiliser ces matériaux lourds, pour la modération, non plus en transmsision, mais essentiellement en réflexion. En effet, une expérience de thermalisation, réalisée avec un tube dit
TN 46 de la société SODERN, du type D-T délivrant ses neutrons de 14 MeV vers un ralentisseur en PE-HD entouré de blocs modérateurs en matériau lourd, confirme la validité du concept de ralentissement des neutrons rapides par les noyaux lourds
Pb et Bi mais montre aussi l'existence d'une diffusion allant à l'encontre de l'effet recherché ; il est vrai que lorsque la source de neutrons rapides peut être entièrement entourée par une première couche de modération en Pb ou en Bi, cet effet demeure sans conséquence du fait de la symétrie sphérique du système.Par contre, la cible d'un tube scellé ne peut être entièrement entourée par le matériau modérateur et une fraction importante des neutrons émis vers l'extérieur du tube y retourne par réflexion sur ce modérateur et se trouve perdu pour le thermaliseur (réflexion à l'intérieur d'un angle solide sous forme d'un cône de 120 d'angle au sommet environ). L'expérience montre que l'effet ralentisseurréflecteur prend rapidement le pas sur l'effet ralentisseurmultiplicateur en fonction de l'épaisseur du matériau entourant.

Avec du matériau lourd assez épais agissant en réflexion il demeure avantageux cependant de placer une plaquette de matériau thermaliseur lourd juste derrière la cible, du côté opposé à la source d'ions du tube, et d'une épaisseur modérée telle que le gain en ralentissement des neutrons rapides l'emporte sur la perte, en direction du tube, des neutrons réfléchis par la plaquette additionnelle. Le matériau lourd placé tout autour de la source de neutrons thermiques complète alors l'action de modération en transmission initiée par la plaquette, en ce qui concerne les neutrons rapides qui en sortent. Pour une plaquette ayant une épaisseur de 1 cm environ, le gain en débit de fluence des neutrons thermiques au sein du matériau ralentisseur qui constitue le coeur du dispositif est de l'ordre de 10 % environ.

Ainsi, en entourant la cible du tube et le matériau ralentisseur du coeur d'anneaux épais de modérateurmultiplicateur lourds on otbient, par réflexion et multiplication, un accroissement de l'angle solide des neutrons interagissant avec le thermaliseur. Cet effet est d'autant plus sensible que les neutrons ramenés vers le thermaliseur ont une énergie déjà dégradée.

Outre le Bi et le Pb, comme matériaux thermaliseurs lourds on peut choisir aussi, avantageusement du Mo et du W.

Ces deux derniers éléments sont utilisables en raison de leurs fortes sections efficaces de réaction (n,2n) et en dépit de leur forte section efficace de capture, du fait de leur utilisation en réflecteurs-multiplicateurs mais aussi du fait du bruit y moins élevé qu'ils génèrent.

Il est donc possible de réaliser des dispositifs de neutronographie manoeuvrables ayant un facteur de thermalisation d'environ 250 avec un thermaliseur-ralentisseur central en PE-HD et même un facteur inférieur si l'on utilise un thermaliseur central en Be. Ainsi un tube GENIE 46 de la société SODERN précitée, capable d'émettre 4.101l neutrons de 14 MeV par seconde peut générer un débit de fluence de neutrons thermiques de l'ordre de
4 x 1011/250 = 1,6 x 1O9cm2s1 au sein d'un thermaliseur optimisé selon l'invention. Cette performance fait gagner un facteur au moins égal à 4 sur les temps d'exposition, par rapport aux versions non optimisées citées dans la bibliographie technique et au moins égal à 16 si l'on inclut le gain en émission du tube MEN 46 par rapport à l'état de l'art préexistant.

Il faut toutefois noter que les sources de neutrons thermiques qu'on vient de décrire sont très polluées en rayons y et X du fait des multiples interactions inélastiques avec les modérateur-réflecteurs, des diffusions inélastiques sur le noyau de carbone du PE-HD et finalement des nombreuses captures avec l'hydrogène (ce qui inciterait à utiliser plutôt du Be comme thermaliseur-ralentisseur de neutrons). Des collimateurs adéquats bloquant le bruit y avec le même rapport de collimation que ces neutrons réduisent l'inconvénient correspondant. L'usage de systèmes de prise d'image à faible sensibilité pour le rayonnement y et X ainsi que des traitements d'image adéquats permettent de s'affranchir de cette contrainte.

L'optimisation complémentaire du dispositif de neutronographie selon l'invention envisageable au niveau de la source des neutrons thermiques et de leur collimation résulte des considérations suivantes.

Les paramètres caractérisant spécifiquement au premier ordre la source de neutrons thermiques sont, en quatre points 1 - le débit de fluence des neutrons thermiques XE délivré par
la source à l'entrée du collimateur, 2 - le rapport de collimation des neutrons thermiques R : R = D/L.

3 - le "champ d'exposition" aux neutrons thermiques et le
"gradient centre-bord" associé à leur débit de fluence, en
sortie du collimateur, 4 - le débit de fluence énergétique en photons X et y polluant
le faisceau de neutrons thermiques.

Ces 4 paramètres de définition influent sur les performances neutronographiques a) Le "temps d'exposition" est en effet fonction des
paramètres définis aux points 1 et 2.

b) La "résolution" des images et leur "profondeur de champ"
sont liées au rapport de collimation (point 2).

c) Le "contraste" des images est lié bien entendu au temps
d'exposition (points 1 et 2) mais aussi au bruit X + y
défini au point 4 et au gradient défini au point 3.

d) Les "dimensions de l'image" sont dépendantes du champ
d'exposition défini avec un gradient centre-bord
acceptable au point 3.

En regard des paramètres de définition de la source de neutrons thermiques, les équipements à tube scellé présentent des possibilités d'optimisation qui leur permettraient d'accéder à une place honorable dans la famille des matériels n'utilisant pas de réacteur.

Les théories permettant de définir l'ouverturesource de neutrons thermiques dans le matériau modérateur sont assez complexes. Cette définition de la source concerne sa position relative par rapport à la source-cible de neutrons rapides, ses dimensions et sa forme, ainsi que la forme et les dimensions du collimateur situé en regard de cette source de neutrons thermiques, et les matériaux qui le constituent.

En pratique, il s'est révélé avantageux, pour obtenir une densité d'émission de neutrons assez homogène, que, le collimateur de neutrons thermiques étant légèrement évasé, de l'intérieur vers l'extérieur de la tête d'examen, la source de neutrons thermiques, constituée par un enlèvement de matière dans le coeur en matériau ralentisseur de neutrons et constituant un orifice d'entrée, revête la forme d'un tronc de cône renversé, relié par sa petite base à la base du collimateur. Dans cette configuration, la grande base du tronc de cône qui constitue la source de neutrons themiques est, de préférence, en forme de calotte sphérique concave vers 1' extérieur.

I1 est aussi avantageux que les parois latérales de la base du collimateur et de l'orifice d'entrée de la source de neutrons thermiques, qui s'étendent sensiblement selon la direction de l'axe du collimateur soient revêtues d'une couche de lithium 6 de quelques millimètres d'épaisseur ou d'une couche de gadolinium épaisse de 0,1 mm et gainée de plomb ou de tungstène, le Li 6 étant un matériau neutrophage sans émission de rayonnement y et de Gd n'émettant que des y de 100 keV c'est-à-dire de faible énergie facilement atténuée par du plomb.

La description qui suit en regard des dessins annexés, le tout donné à titre d'exemple non limitatif fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée.

La figure 1 est une vue en perspective d'une tête d'examen qui constitue le dispositif de neutronographie selon l'invention.

La figure 2 est une vue en coupe, passant par l'axe des bras de support et l'axe du collimateur, en partie arrachée, de la tête d'examen de la figure 1.

La figure 3 est une vue en coupe passant par les axes du tube à neutrons et du collimateur, en partie arrachée, de la tête d'examen de la figure 1.

La figure 4 est une vue en coupe longitudinale de l'extrémité du tube générateur de neutrons, du côté de la cible, ce tube pouvant être utilisé pour la mise en oeuvre de l'invention.

A la figure 1 une pince 1 représentée en trait mixte supporte rigidement par ses extrémités une tête d'examen par neutronographie 2. Au moyen d'un pied 3, la pince 1 peut être solidarisée à un pont roulant par exemple, non représenté, ce qui permet de la manoeuvrer à l'intérieur d'un hangar ou d'une usine. La tête d'examen 2 a un diamètre d'environ 1 m et une masse qui est de l'ordre de 1400 kg.

Selon les variantes à prévoir en dépendance des matériaux utilisés, cette masse se situe entre 1000 et 2000 kg. A cette tête 2 sont rigidement solidarisés un tube générateur de neutrons 4, alimenté en haute tension par un câble 5 et un collimateur de neutrons thermiques dont seule l'extrémité extérieure 6 légèrement évasée est visible, sur la figure 1.

Des anneaux de levage 7 sont prévus pour la fixation de la tête d'examen 2 aux extrémités de la pince par vissage au moyen de plaques de fixation telles que 8.

Les vues en coupe des figures 2 et 3 montrent la structure interne de la tête qui permet, outre la mise en oeuvre de l'invention, décrite plus loin, d'assurer la tenue mécanique, avec une bonne rigidité de l'ensemble.

L'élément principal du point de vue de la tenue mécanique est une pièce centrale en acier 11, par exemple cubique, comportant un alésage destiné à recevoir une pièce cylindrique 12 décrite plus loin. A cette pièce 11 sont fixés sur deux faces opposées des bras-supports 13 qui sont des tubes en acier de préférence, portant chacun à leur extrémité libre, une plaque 8. Par ailleurs, la pièce 11 supporte, fixé à une autre face et dans une direction perpendiculaire à celle des bras-supports 13, un ensemble collimateur 14, qui a de préférence une symétrie de révolution autour d'un axe 15. Cet ensemble collimateur se compose essentiellement d'un empilement de couches en matériaux lourds, supportés à leur périphérie par un châssis en acier 20 qui assure leur cohésion et leur maintien et délimitant, autour de l'axe 15, un tronc de cône pour l'émission des neutrons thermiques.Enfin, selon un axe 16 perpendiculaire à la fois à l'axe des bras-supports et à l'axe 15 du collimateur, s'étend, en vue de recevoir un tube à neutrons 17, un fourreau cylindrique 18 (figure 3) vissé en bout sur une face de la pièce cubique centrale 11, de façon que l'axe 16 et celui de la pièce cylindrique 12 soient confondus. Le fourreau cylindrique se prolonge par une partie évidée de forme tronconique, plus étroite que le fourreau cylindrique, qui pénêtre à l'intérieur de la pièce cylindrique 12 ; cette partie est destinée à recevoir la coiffe 19, en aluminium, qui constitue l'extrémité du tube à neutrons portant la cible, source isotrope de neutrons rapides. Sur la figure 3, la position de la cible est repérée par le trait mixte 21, lorsque le tube à neutrons 17 a été glissé en place.

On notera que cette cible se situe alors à l'intérieur de la pièce 12.

Outre les différentes parties de la tête d'examen déjà décrites, on notera que la plus grande partie du volume de cette dernière est constituée par des éléments de polyéthylène-haute densité (PE-HD), sous forme de planches épaisses 22 fixées par des tirants vissés sur la pièce centrale 11. Ces éléments de polyéthylène peuvent, en variante, être borés, pour mieux absorber les neutrons, ou bien, dans le même but, les planches de polyéthylène sont séparées par des feuilles de carbure de bore.

On notera que la pièce centrale 11 peut être réalisée en aluminium sans modification de forme mais plus épaisse que ce qui est représenté sur les figure 2 et 3, pour assurer la tenue mécanique requise pour l'ensemble. Cette variante de réalisation résulte de considérations de radioprotection selon que le niveau atteint par l'activation du fer par les neutrons est acceptable ou pas.

Dans un exemple de structure mécanique envisageable, parmi d'autres, pour la tête d'examen ayant été décrit ci-dessus, l'invention concerne, pour l'essentiel, l'aménagement du logement pratiqué dans la pièce centrale 11.

L'idée de base de l'invention est d'utiliser, pour la thermalisation de neutrons de plus de 7 MeV, des matériaux lourds, travaillant en réflexion. La source de neutrons rapides est, de préférence, un tube D-T, par exemple un tube
MEN 46 de la société SODERN précitée. Dans ce cas, les matériaux lourds précités doivent traiter des neutrons de 14 MeV. Par le qualificatif "traiter", on entend notamment des résultats de chocs inélastiques du type ralentisseur (n,y), le neutron réémis après absorption du neutron incident par un noyau lourd ayant une énergie moindre, ou du type multiplicateur, (n,2n) ...Plus généralement, ces matériaux lourds doivent avoir un fort pouvoir de ralentissement des neutrons, un pouvoir multiplicateur de neutrons par réactions nucléaires du type qui produit des isotopes de masse inférieure et une section efficace de capture des neutrons thermiques modérée. D'autre part, pour être le plus efficaces possible en réflexion, il convient de les placer aussi près que possible de la source de neutrons rapides sans qu'ils fassent écran à cette dernière, étant entendu par ailleurs qu'un ralentisseur de neutrons, dans lequel est pratiquée par creusement la source de neutrons thermiques reste toujours nécessaire pour achever le ralentissement des neutrons jusqutà leur énergie thermique de 0,025 eV. De plus, l'épaisseur de ces matériaux doit être suffisante pour que le flux de neutrons qui parviennent à les traverser soit négligeable. La solution représentée sur les figures 2 et 3 consiste en la pièce cylindrique 12 qui embrasse partiellement la coiffe 19 du tube neutronique, de diamètre intérieur 140 mm, de diamètre extérieur 330 mm et de profondeur 230 mm. Cette pièce en tungstène est fermée à son extrémité éloignée de la cible du tube neutronique 17, par un bouchon cylindrique en tungstène 24 de 5 cm d'épaisseur. Pour la réalisation des pièces 12 et 24 on peut utiliser, outre le tungstène, du molybdène, du plomb ou du bismuth.

Dans l'espace laissé libre au centre de la pièce 12, entre la coiffe 19 et le bouchon 24, est disposé, au coeur, du matériau ralentisseur léger qui achève le ralentissement de neutrons dont l'énergie a déjà été modérée, par une succession de chocs élastiques sur des atomes légers et qui capturent peu les neutrons de préférence, tels que l'hydrogène ou le béryllium (qui est plus lourd que l'hydrogène mais capture moins). Dans l'exemple représenté, le coeur du dispositif est un cylindre de PE-HD, dans lequel est usinée la source de neutrons thermiques, sous forme d'un orifice d'entrée 26, disposé le plus près possible de la cible du tube, soit de la ligne 21, c'est-à-dire, en pratique, contre la coiffe 19.Si l'on utilise, au coeur, du béryllium, au lieu de noyaux d'hydrogène, il faut prévoir un volume plus grand que pour du PE-HD, étant donné que le nombre de chocs élastiques à prévoir sur les atomes de béryllium est plus grand que sur les atomes d'hydrogène. La position de l'orifice d'entrée 26 est alors moins critique et cet orifice peut être décalé légèrement vers la droite par rapport à la position représentée à la figure 3. Dans le cas d'emploi de béryllium la pièce 12, qui doit conserver la même épaisseur, avec des diamètres intérieur et extérieur augmentés, est aussi plus massive, ce qui est vrai aussi pour la pièce centrale cubique 11.

Le dispositif décrit ci-dessus peut fonctionner avec un tube à neutrons du commerce, de préférence avec un tube du type D-T, tel que le MEN 46 déjà cité. Il est aussi possible, avantageusement, de modifier ce tube pour l'adapter au dispositif de neutronographie selon l'invention. Les modifications envisageables concernent l'extrémité du tube ou coiffe qui porte la cible comme représenté à la figure 4.

A la figure 4, la coiffe 19 comporte une cible 28 en molybdène ainsi que des moyens de refroidissement disposés sous la cible sur la figure et qui permettent la circulation d'un fluide de refroidissement. Au niveau de ces moyens de refroidissement a été disposée, en outre, une plaquette 29 en matériau lourd du même type que celui utilisé pour la pièce 12, par exemple en tungstène, de 1,5 cm d'épaisseur. Plus généralement, cette épaisseur doit être comprise entre 0,5 et 2 cm. La plaquette 29, située à proximité immédiate de la cible 28 et qui est aussi très proche de l'orifice d'entrée 26 (figures 2 et 3), lorsque le tube est en place, fonctionne en transmission.La plaquette 29 renvoie vers le tube, c'est-àdire vers l'extérieur de la tête d'examen une partie des neutrons qui sont donc perdus pour la thermalisation et l'émission à travers l'ensemble collimateur 14 ; par contre, les neutrons transmis ou réémis par la plaquette 29 en direction de l'orifice d'entrée 26 ont une énergie nettement inférieure à 14 MeV et l'achèvement de leur thermalisation en est facilité d'autant. Pour une épaisseur de 0,5 à 2 cm de la plaquette, le bilan entre l'inconvénient et l'avantage précités est positif et permet de gagner de 10 % à 20 % pour l'émission de neutrons thermiques à travers le collimateur.

Une autre amélioration du tube en vue de son adaptation à la neutronographie consiste à entourer la cible de matériau lourd, à l'intérieur même de la coiffe 19, comme représenté par les pièces additionnelles 31, par exemple en tungstène, qui fonctionnent en réflexion pour les neutrons rapides.

Encore une modification possible, plus coûteuse que les précédentes, consiste à amincir l'extrémité porte-cible du tube, de façon à réduire l'angle mort d'émission de neutrons en direction de l'autre extrémité du tube c'est-à-dire vers l'extérieur de la tête d'examen. Il est ainsi possible de réduire le cône d'émission, dans cette direction non désirée d'un angle de 1200 à un angle de 60 environ.

Ayant optimisé la partie du dispositif qui produit des neutrons thermiques à partir de neutrons rapides de plus de 7 MeV, il convient aussi d'optimiser les moyens d'émission des neutrons thermiques, c'est-à-dire l'ensemble collimateur 14 représenté aux figures 2 et 3. La théorie et l'expérience montrent qu'il se crée au sein du thermaliseur central, une population de neutrons thermiques dont le débit de fluence passe par un maximum, ou pic, à une certaine distance dp de la cible du tube à neutrons. Ce pic est situé sur l'axe 16 de la cible pour d'évidentes raisons de symétrie et la distance dp est voisine de 5 à 6 cm pour un thermaliseur hydrogéné, tel que PE-HD par exemple.

De façon connue, on obtient l'extraction maximale de neutrons thermiques et le minimum de pollution du faisceau en neutrons rapides en plaçant l'ouverture, ou orifice d'entrée 26, perpendiculairement à l'axe 16 de la cible. De préférence, l'axe 16 est situé dans le plan du fond de l'ouverture et passe par son centre. Ce dernier est situé à la distance la plus proche possible du maximum de flux de neutrons thermiques autorisée par les contraintes d'encombrement. Or, la présence de la partie frontale de la coiffe d'extrémité 19 du tube à neutrons, empêche de placer l'ouverture 26 à une distance da inférieure à 3,5 cm lorsque du PE-HD est employé au coeur du dispositif ; pour des ouvertures de diamètre D supérieur à 3 cm, un léger décentrage de l'ouverture le long de l'axe 16 doit donc être tolélré.

Par contre, un thermaliseur-ralentisseur à faible section efficace de capture, le Be notamment, a un excellent rapport de thermalisation : le pic d'émission de neutrons thermiques est alors établi sur une distance assez grande par rapport à la cible et l'on peut, plus facilement qu'avec un thermaliseur hydrogéné, y centrer l'ouverture, même avec un diamètre D appréciable.

Le choix du diamètre D résulte quant à lui d'un compromis. D ne doit pas être trop grand car on arriverait ainsi à une densité de flux quasi nulle étant donné que le flux de neutrons émis est limité. A l'opposé, une valeur de D trop faible conduirait à un débit de neutrons thermiques luimême trop faible.

C'est en fait le rapport de collimation D/L, L étant la longueur du collimateur, qui caractérise la résolution de l'image, que l'on s'impose le plus souvent.

Pour pouvoir se placer au maximum (ou pic) de l'émission de neutrons thermiques on a vu ci-dessus qu'il valait mieux choisir des valeurs de D plutôt faibles, ce qui conduirait à une valeur de L faible elle aussi pour un rapport D/L prédéterminé. Ceci revient à rapprocher l'objet et l'imageur de la source.

A ce stade interviennent alors des considérations sur le bruit de rayonnement y généré par l'équipement - le bruit dû à la source est proportionnel à la surface de
l'ouverture 0, c'est-à-dire à D2, - le bruit plus élevé, dû à l'ensemble de l'équipement est
proportionnel à 1/L2.

Les deux bruits précités s'additionnant, le bilan est qu'une diminution de L s'accompagne d'une dégradation du rapport S/B.

Il est alors possible de diminuer le bruit de l'ensemble de l'équipement au moyen de blindages mais au prix d'un alourdissement notable de l'équipement. Un bon compromis est par exemple le mode de réalisation représenté sur la figure 2, qui implique un rapprochement de l'imageur et un blindage accru, par rapport aux dispositifs connus. Le collimateur de la figure 2 a une longueur L de 58 cm et un diamètre D de 4 cm. Légèrement évasé de l'intérieur vers l'extérieur en forme de tronc de cône (diamètre extérieur égal à 20 cm), son extrémité amincie est d'abord constituée par la traversée radiale de la pièce cylindrique 12, puis par une gaine 33 en matériau lourd, comme du tungstène par exemple, à la traversée de la pièce cubique 11. La gaine 33 est prolongée par un écran cylindrique 34 en tungstène, lui-même suivi d'une gaine en plomb 35. L'écran 34 et la gaine 35 sont supportés par le châssis en acier 20. De préférence, une couche de gadolinium neutrophage 36, épaisse de 0,1 mm environ est incluse dans la gaine 33, aux traversées des pièces 12 et 11.

Les éléments 33, 34 et 35 forment un empilement assez massif pour constituer une barrière efficace contre les rayonnements X et y. Le volume, la forme et la disposition de ces éléments, réalisables en plomb, tungstène ou bismuth, sont sélectionnés de façon que ces éléments constituent ensemble, un collimateur y et X ayant sensiblement le même rapport de collimation D/L que le collimateur de neutrons thermiques décrit au paragraphe précédent. Un collimateur y et X ainsi conçu évite que le système de prise d'image en neutrons soit voilé par les photons X et y.

On notera la forme particulière préférée de l'ouverture ou orifice d'entrée 26. Cette forme est celle d'un tronc de cône renversé relié, par sa petite base, à la base du collimateur 14. La grande base 37 de ce tronc cône, qui constitue la source proprement dite de neutrons thermiques a de préférence la forme d'une calotte sphérique concave vers la direction d'extraction des neutrons thermiques, soit vers 1 'extérieur.

L'invention ne se limite pas aux exemples de réalisation décrits ci-dessus.

Il est envisageable notamment de réaliser un dispositif de neutronographie qui comporterait non pas un seul mais deux ensembles collimateurs tels que représentés à la figure 2. Les axes de ces collimateurs, non représentés, restent sensiblement perpendiculaires à l'axe 16, ou lui sont, plus précisément, orthogonaux. En effet, il faut prévoir dans ce cas un léger décentrage des orifices d'entrée pour qu'ils n'empiètent pas l'un sur l'autre. Il faut aussi prévoir un angle de l'ordre de quelques dizaines de degrés entre ces 2 axes de collimateurs pour pouvoir loger côte à côte contre la pièce centrale 11, adaptée en conséquence, les écrans cylindriques en matériau lourd, tels que 34.

Toujours en ce qui concerne l'émission de neutrons thermiques, on peut prévoir de limiter cette émission au fond en substance circulaire de l'orifice d'entrée. Pour cela on munit alors la partie cylindrique des parois de l'orifice d'entrée d'une couche de matériau neutrophage telle que du gadolinium, de 0,1 mm d'épaisseur ou du lithium 6 de quelques millimètres d'épaisseur. Plus généralement, on notera que le collimateur à utiliser selon l'invention est un conduit vide divergent dont les parois sont recouvertes d'un matériau neutrophage tel que Cd, B, Li ou Gd ou d'un composé comportant ces espèces chimiques.

Le matériau du coeur, dans lequel est pratiquée la source de neutrons thermiques peut aussi être réalisé sous forme de matériau composite, tel que du polyéthylène chargé de façon homogène de poudre de plomb, ou de hydrure de titane ou de zirconium par exemple.

On notera aussi que la plaquette en matériau lourd référencée 29 à la figure 4 pourraît être placée dans le coeur en matériau thermaliseur-ralentisseur de neutrons au lieu de faire partie du tube à neutrons, comme décrit ci-dessus en référence à la figure 4.

Claims (11)

REVENDICATIONS

1. Dispositif de neutronographie destiné à fournir une source de neutrons thermiques collimatés à partir d'une source de neutrons rapides d'énergies supérieures à plusieurs MeV, constitué par une tête d'examen qui peut être manoeuvrée, conçu pour recevoir, dans un fourreau métallique, un tube générateur de neutrons muni d'une partie d'extrémité amincie entourant une cible qui constitue ladite source de neutrons rapides et comportant - un ensemble collimateur dont l'axe forme un angle avec celui

dudit fourreau et qui comporte, en prolongement d'une

extrémité amincie ladite source de neutrons thermiques, - et un dispositif thermaliseur de neutrons dont l'enveloppe

supporte ledit fourreau et ledit ensemble collimateur de

façon telle que lesdites sources de neutrons rapides et

thermiques soient situées à proximité l'une de l'autre près

du centre du dispositif thermaliseur, caractérisé en ce que ledit dispositif thermaliseur est constitué par la combinaison d'un coeur en matériau ralentisseur de neutrons et d'une gaine, autour de ce coeur, en au moins un matériau lourd, faisant office de modérateur, de réflecteur et de multiplicateur pour les neutrons rapides, ayant un fort pouvoir de ralentissement des neutrons, un pouvoir multiplicateur de neutrons par réactions nucléaires du type n, 2n ; ... et une section efficace de capture des neutrons thermiques modérée, ladite gaine en matériau lourd, d'une épaisseur comprise entre 5 et 10 cm, entourant ladite partie d'extrémité amincie du tube générateur de neutrons lorsque ce dernier est en place dans ledit fourreau métallique, englobant ladite source de neutrons thermiques et constituant la base dudit ensemble collimateur.

2. Dispositif de neutronographie selon la revendication 1, caractérisé en ce qu il comporte une plaquette en matériau lourd faisant office de modérateur de neutrons rapides en transmission, d'une épaisseur comprise entre 0,5 et 2 cm, disposée entre ladite cible du tube générateur de neutrons rapides et ladite source de neutrons thermiques, ledit matériau lourd ayant un fort pouvoir de ralentissement des neutrons, un pouvoir multiplicateur de neutrons par réactions nucléaires du type n, 2n ; ... et une section efficace de capture des neutrons thermiques modérée.

3. Dispositif de neutronographie selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite plaquette en matériau lourd est disposée contre ladite cible, dans la zone de refroidissement par un fluide en mouvement de cette dernière.

4. Dispositif de neutronographie selon l'une des revendicatons 1 à 3, caractérisé en ce que le(s) matériau(x) lourd(s) est (sont) constitué(s) par du tungstène, du molybdène, du plomb ou du bismuth.

5. Dispositif de neutronographie selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, dans ladite combinaison qui constitue le thermaliseur, le coeur ralentisseur de neutrons est constitué par un matériau riche en hydrogène, tel que du polyéthylène haute densité, ou du polyéthylène chargé de façon homogène de poudre de plomb.

6. Dispositif de neutronographie selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, dans ladite combinaison qui constitue le thermaliseur, le coeur ralentisseur de neutrons est constitué par du béryllium.

7. Dispositif de neutronographie selon l'une des revendications 1 à 6, comportant un collimateur de neutrons thermiques légèrement évasé, de l'intérieur vers l'extérieur de ladite tête d'examen, caractérisé en ce que ladite source de neutrons thermiques est constituée par un enlèvement de matière, dans ledit coeur en matériau ralentisseur de neutrons, constituant un orifice d'entrée et revêtant la forme d'un tronc de cône renversé relié, par sa petite base à la base dudit collimateur, et dont la grande base, qui constitue la source de neutrons thermiques proprement dite, est en forme de calotte sphérique concave vers l'extérieur.

8. Dispositif de neutronographie selon la revendication 7, caractérisé en ce que les parois latérales de la base du collimateur et de l'orifice d'entrée de la source de neutrons thermiques, qui s'étendent sensiblement selon la direction de l'axe du collimateur sont revêtues d'une couche de lithium 6 de quelques millimètres d'épaisseur, d'une couche de gadolinium épaisse de 0,1 mm et gainée de plomb, cadmium ou de bore, ou d'un composé comportant ces espèces chimiques.

9. Dispositif de neutronographie selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que ledit collimateur de neutrons thermiques est constitué par un empilement d'éléments en matériau(x) lourd(s) tel(s) que plomb, tungstène ou bismuth agencé pour constituer un collimateur y et X ayant même rapport de collimation D/L que pour les neutrons.

10. Dispositif de neutronographie selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte un collimateur additionnel dont l'axe forme un angle avec celui dudit tube générateur de neutrons et muni d'une source additionnelle de neutrons thermiques située près du centre du dispositif thermaliseur.

11. Dispositif de neutronographie selon l'une des revendications précédentes comportant, dans ledit fourreau métallique, un tube à neutrons du type scellé à réaction de fusion nucléaire deutérium-tritium.