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Expériences avec des neutrons
La plupart des expériences menées avec des neutrons reposent au départ sur un principe commun: un faisceau se modifie en traversant l'échantillon: certains neutrons changent de trajectoire, de vitesse ou sont entièrement absorbés dans l'échantillon. A partir de ces variations mises en évidence par des détecteurs de neutrons, les chercheurs peuvent tirer des conclusions sur les structures de l'échantillon et les processus en action à l'intérieur. Les détails des différentes expériences dépendent des questions qu'on se pose et des échantillons à étudier.
Deux types d'expériences
reproduisent l'intérieur des objets de manière différente
Au PSI, il existe environ 15 postes de mesure pour les expériences les plus diverses faites avec des neutrons. On mène ainsi deux types essentiels d'expériences avec des neutrons au PSI. Les expériences de diffusion fournissent des informations sur un échantillon au niveau atomique: elles montrent l'agencement des atomes, leur mouvement ou aussi des structures magnétiques à l'échelle atomique. Les expériences d'imagerie fournissent des images de l'intérieur de différents objets, tels que des éléments techniques ou des objets d'art. Les objets étudiés restent alors intacts.
Ci-dessous:
Les neutrons montrent comment les atomes sont agencés
l'expérience de diffusion de neutrons la plus simple
L'exemple le plus simple d'une expérience faite avec des neutrons, est la détermination de la structure cristalline - c'est-à-dire l'agencement spatial des atomes - d'une substance qui se présente sous la forme d'une poudre de petits cristaux. On parle de cristal lorsque les atomes y sont disposés en structure régulière.
Si l'on envoie un faisceau de neutrons sur cette poudre, la plupart des neutrons traversent simplement tout droit l'échantillon. Cependant, quelques-uns sont plus ou moins déviés de leur trajectoire d'origine, et ce sous des angles très précis. A partir de ces angles de diffusion des neutrons, il est possible de déterminer les distances entre les plans d'atomes, sachant que plus l'écart entre les atomes est petit, plus grand est l'angle de diffusion. On peut ainsi grâce à la diffusion des neutrons passer de dimensions très réduites (écarts entre atomes) à des dimensions faciles à mesurer (angles de déviation).
Dans ce type d'expérience, il faut encore tenir compte du fait que l'angle de déviation ne dépend pas seulement de la structure de l'échantillon, mais aussi de la vitesse (ou de la longueur d'onde) des neutrons utilisés. C'est pourquoi, pour l'expérience, il ne faut choisir dans le faisceau de neutrons incidents que ceux dont la vitesse est connue. Cela se fait avec un monochromateur. La plupart du temps, celui-ci est lui-même un cristal et là aussi, on exploite le fait qu'un cristal dévie des neutrons de vitesses différentes dans des directions différentes.
La diffusion des neutrons est rendue possible par le fait que, comme les autres particules élémentaires, ils ne se comportent pas seulement comme des particules, mais aussi comme des ondes. Leurs propriétés ondulatoires peuvent se superposer, s'affaiblir ou se renforcer mutuellement. Le modèle de diffusion repose ainsi sur un principe analogue à celui du modèle représenté par une surface d'eau, lorsque l'on a jeté simultanément deux pierres dans l'eau.
Même si les instruments de diffusion des neutrons diffèrent les uns des autres en fonction des divers objets à étudier, ils suivent tous le principe décrit ici. Toutefois, le fonctionnement des instruments utilisés en imagerie est fondamentalement différent.
Générer des images avec des neutrons
une expériences d'imagerie
Les techniques d'imagerie avec les neutrons fournissent instantanément des images de l'intérieur de différents objets d'étude et ressemblent ainsi à la technique utilisée pour faire des radiographies en médecine – sauf que dans ce cas les objets ne sont pas traversés par des rayons X, mais par un faisceau de neutrons.
Que l'on opte dans un cas concret pour un examen avec des neutrons ou avec des rayons X dépend fortement des matériaux qui composent l'objet à étudier. L'eau ou des substances organiques peuvent ainsi être rendus visibles par des neutrons derrière un épais boîtier métallique, car les faisceaux de neutrons traversent le métal en n'étant pratiquement pas affaiblis, mais en étant en revanche fortement déviés par les atomes d'hydrogène. On peut se servir de cette propriété pour rendre visible l'intérieur des moteurs à combustion ou la répartition de l'eau dans des piles à combustible. L'examen d'une statue de bouddha en laiton représente un exemple d'utilisation de cette technique en histoire de l'art : l'imagerie neutronique a permis de démontrer clairement que la statue renfermait des objets en bois et des plantes sèches. Lors de l'examen, elle est restée parfaitement intacte. En revanche, les rayons X n'auraient pas permis de voir l'intérieur de la statue.
Informations complémentaires
- Source de spallation SINQ
Génération de neutrons au PSI
- Les propriétés des neutrons
Pourquoi on mène des recherches avec des neutrons
- La recherche avec des muons et la lumière synchrotron
Des expériences menées des muons ou la lumière synchrotron complètent souvent la recherche avec des neutrons
- Instrumentation pour la diffusion des neutrons
Instruments pour la diffusion des neutrons au PSI (en anglais)