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L'ILL est un institut ouvert aux utilisateurs, qui accueille des scientifiques venus du monde entier pour mener des expériences de pointe et faire progresser un large éventail de domaines scientifiques et technologiques. À l'ILL, les neutrons servent à sonder la structure et la dynamique microscopiques d'une grande variété de matériaux, à l'échelle moléculaire, atomique et nucléaire. L'impact de la science neutronique menée à l'ILL va de la découverte scientifique et de l'excellence à la réponse aux défis sociétaux dans les domaines de la santé, de l'environnement, de l'énergie et des technologies de l'information, jusqu'à l'exploration des mystères de l'Univers dans lequel nous vivons. Vous trouverez ci-dessous une introduction à la science neutronique.
Institut de service, l'ILL met ses installations et son expertise en science et technologie neutroniques à la disposition de ses « utilisateurs scientifiques » (chercheurs invités). Les scientifiques, ingénieurs, techniciens et administrateurs de l'ILL sont organisés en « groupes scientifiques », en fonction des instruments et des installations de soutien qu'ils exploitent au service des utilisateurs. Consultez la page des groupes scientifiques de l'ILL.
La vie scientifique à l'ILL est organisée en « collèges », chacun consacré à un domaine de recherche particulier. Les domaines couverts comprennent la physique de la matière condensée, la chimie, la biologie, la science des matériaux et l'ingénierie, les sciences de la Terre, ainsi que la physique nucléaire et des particules. Les scientifiques de l'ILL appartiennent à un ou plusieurs collèges, selon leurs intérêts de recherche personnels. Chaque collège est dirigé par un secrétaire de collège, élu parmi ses membres. Les collèges jouent un rôle important dans la vie scientifique de l'ILL, notamment dans le processus d'évaluation des propositions. En savoir plus sur l'organisation en collèges de l'ILL.
Pour en savoir plus sur les technologies qui rendent tout cela possible, consultez la page Technologies neutroniques à l'ILL.
Pour en savoir plus sur les installations et l'instrumentation de l'ILL, consultez la page dédiée aux installations.
De la recherche fondamentale aux grands défis du XXIe siècle, les neutrons jouent un rôle clé dans l'écosystème scientifique et technologique européen.
Aux côtés d'autres outils de caractérisation de la matière, tels que les rayons X, la résonance magnétique nucléaire ou la spectroscopie infrarouge et Raman, les neutrons apportent une contribution précieuse à notre connaissance des matériaux et à notre compréhension des processus à l'œuvre à différentes échelles de temps et de longueur. Les propriétés uniques des neutrons en font un outil puissant pour percer les secrets de la matière.
Cette page propose une brève introduction à la science neutronique, abordant les particularités des neutrons, les techniques de diffusion neutronique, et ce qu'elles peuvent apporter à la science.
Explication
Lorsque des faisceaux de neutrons sont utilisés pour sonder de petits échantillons de matière, ils ont le pouvoir de révéler ce qui ne peut être observé avec d'autres types de rayonnement. Les neutrons se comportent tantôt comme des particules, tantôt comme des ondes, tantôt comme des dipôles magnétiques microscopiques. Ce sont précisément ces propriétés spécifiques qui leur permettent de fournir des informations souvent impossibles à obtenir par d'autres techniques.
Les neutrons peuvent être utilisés de bien des façons pour étudier des structures allant de l'échelle humaine à l'échelle atomique, ainsi que des interactions se produisant à des vitesses très différentes. Par exemple, un neutron thermique possède une longueur d'onde de l'ordre de l'angström, ce qui correspond à peu près à la distance entre les atomes dans un solide cristallin. Une longueur d'onde de cet ordre de grandeur rend les neutrons thermiques sensibles aux échelles de longueur atomiques. Pour sonder les échelles de longueur plus grandes, caractéristiques des protéines, des polymères et d'autres matériaux « mous », des neutrons de plus grande longueur d'onde sont nécessaires.
Dans une expérience de diffusion de neutrons, les scientifiques dirigent un faisceau de neutrons à travers l'échantillon étudié et analysent ce qui en ressort. Ce processus comprend une longue série d'étapes, chacune nécessitant une technologie neutronique sophistiquée.
Les neutrons produits au cœur du réacteur doivent être ralentis (ou modérés), puis extraits vers des guides de neutrons, des structures complexes qui les acheminent jusqu'aux instruments. Les neutrons diffusés doivent ensuite être enregistrés par des détecteurs de neutrons, dont le principe de fonctionnement et la configuration dépendent de l'instrument — tout comme l'instrumentation d'optique neutronique utilisée pour la sélection (selon l'énergie ou la vitesse), la focalisation et l'analyse.
L'ILL est le leader mondial des technologies neutroniques, de l'optique neutronique aux détecteurs et environnements d'échantillon, avec un savoir-faire technique et des capacités uniques au monde, dont bénéficient la communauté neutronique et les installations neutroniques dans leur ensemble.
Pour obtenir différents types d'informations par diffusion de neutrons, les scientifiques utilisent des instruments spécialisés. La diffusion sur un échantillon peut être élastique ou inélastique.
Dans la diffusion élastique, les neutrons rebondissent sans que leur énergie ne change, mais la façon dont ils se dispersent permet de déterminer la position des atomes dans le matériau. La diffusion élastique de neutrons est largement utilisée en diffraction de neutrons pour étudier la structure des échantillons.
Dans la diffusion inélastique, les neutrons peuvent perdre ou gagner de l'énergie en se dispersant sur l'échantillon, et cette variation est mesurée pour comprendre la dynamique des processus étudiés. C'est le principe même sur lequel repose le fonctionnement des instruments de spectroscopie neutronique.
Cette figure présente les échelles de temps et de longueur (énergie et vecteur d'onde) des différentes techniques basées sur les neutrons (avec l'aimable autorisation de Ken Andersen). Vous pouvez l'utiliser pour identifier les techniques les mieux adaptées à vos besoins, puis consulter la liste ci-dessous afin de choisir les instruments appropriés.
Neutron methods (courtesy K. Andersen)
La façon dont les neutrons se diffusent sur les gaz, les liquides et les matières solides renseigne sur la structure de ces matériaux (diffusion élastique de neutrons).
L'excitation des atomes par les neutrons fournit des informations sur l'énergie de liaison au sein de la matière (diffusion inélastique de neutrons). Leur capacité à se comporter comme de « petits aimants élémentaires » fait des neutrons une sonde idéale pour déterminer la structure et la dynamique de matériaux magnétiques exotiques et nouveaux.
Les noyaux lourds peuvent être scindés par les neutrons, ce qui peut permettre d'éclairer un certain nombre de processus encore mal compris dans la fission atomique. Les neutrons peuvent également être capturés par des noyaux ; ce processus libère un rayonnement secondaire, qui peut être utilisé pour déterminer la structure interne de ces noyaux.
Les applications de la diffusion de neutrons en physique de la matière condensée, en science des matériaux et en chimie sont considérables. Elles vont de l'étude détaillée de la structure de nouveaux matériaux — en particulier des matériaux magnétiques pertinents pour les technologies de l'information de demain — à de nombreuses études intéressant les défis liés à la transition énergétique et à l'environnement : l'étude du processus de recharge des batteries, le stockage de l'hydrogène dans différents matériaux, ou encore la caractérisation de matériaux plastiques plus durables.
Dans la recherche sur les colloïdes, les neutrons révèlent de nouvelles informations sur des sujets aussi variés que l'extraction du pétrole, les cosmétiques, les produits pharmaceutiques, l'industrie agroalimentaire et la médecine.
Les matériaux biologiques, naturellement riches en hydrogène et en autres éléments légers, constituent des échantillons idéaux pour l'analyse par neutrons : membranes cellulaires, protéines, virus, études de la photosynthèse.
La diffraction de neutrons étant non destructive, elle se prête idéalement à l'analyse, en ingénierie, de différents phénomènes dans les matériaux, en particulier : la visualisation des contraintes résiduelles dans les matériaux (par exemple, les rails de chemin de fer), les phénomènes de durcissement et de corrosion dans le béton, ou encore l'inhomogénéité et les éléments traces dans les matériaux.
En tant que réacteur nucléaire, la source de neutrons de l'ILL est un lieu idéal pour de nombreuses études et expériences sur la fission atomique et la structure des noyaux. Elle l'est également pour l'étude détaillée des propriétés du neutron lui-même, ainsi que du neutrino, produit de la désintégration du neutron. En particulier, le développement de technologies sophistiquées pour la production de neutrons extrêmement lents — jusqu'à 5 m/s, alors que la vitesse des neutrons quittant le réacteur est d'environ 2200 m/s — permet de réaliser des expériences révolutionnaires en physique des particules.
