Nouveaux matériaux réflecteurs de neutrons froids // New materials for cold neutron reflectors

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).
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The CEA and the CNRS have launched an initiative to design a new neutron source using low-energy proton accelerators, the ICONE project [1]. The goal is to build a facility that will offer an instrumental suite of about ten spectrometers available to the French and European scientific community. The project is currently in the Preliminary Design phase, with the aim of refining all technical aspects as much as possible.
In a source like ICONE, fast neutrons are produced by proton-beryllium nuclear reactions. However, neutron scattering experiments require thermal and cold neutrons. The design of the moderator is therefore a crucial component of the project to maximize the source's performance. Plans are already in place to implement the low-dimensional moderator concept on the ICONE source to increase its brightness.

Another avenue for improving moderator performance is to enhance the efficiency of the reflector, and more specifically, the cold neutron reflector. Historically, bulk materials such as beryllium or lead have been used. Their properties rely on nuclear interaction and do not take advantage of the specific characteristics of cold neutrons.

In this study, we propose to investigate the specific scattering properties of cold neutrons on nanostructured materials. Indeed, cold neutrons have long wavelengths (> 0.4 nm) and can therefore be coherently scattered by nanostructured materials. The scattering efficiency is not only amplified by coherent scattering effects, but it is potentially possible to direct this scattering if the reflector material is anisotropic. This control over the scattering direction can further increase the moderator's brightness.

The first part of this work will consist of identifying the most promising nanostructured materials and modeling their cold neutron reflectivity performance. For technical reasons related to neutron absorption, the most promising approach is that of carbon-based materials such as carbon nanowires, which combine low neutron absorption with very small dimensions. The second candidate is multilayer systems of very thin thicknesses (~nm) that increase neutron reflectivity through coherence effects. The performance of these materials will be modeled to achieve optimal results in the context of their use in a cold neutron moderator to increase the source's brightness.

In a second stage, these materials will be shaped and their properties characterized using neutron scattering devices at neutron scattering facilities such as the ILL in Grenoble or the PSI in Switzerland.

The candidate must hold a Master's degree (Master 2) and have a strong aptitude for numerical modeling. These materials will be used in a multiple scattering regime on anisotropic materials, a field that is still largely unexplored. A significant part of the work will involve creating numerical models, either by developing specific codes or by modifying existing ones (e.g., NCrystal).
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Début de la thèse : 01/10/2025
WEB : https://www.icone-neutron.fr/

Public/private mixed funding

Financement du CEA - CFR (Contrat formation par la recherche)*Ressources propres de l'unité de recherche*

Université Paris-Saclay GS Physique

564 Physique en Ile de France

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.
The candidate must hold a Master's degree (Master 2) providing solid skills in wave-matter interaction phenomena (scattering and diffraction). He should have a good aptitude for numerical modeling. A significant portion of the work will involve creating numerical models, either by developing specific codes or modifying existing ones (e.g., NCrystal). The project includes an experimental component, but the actual instrumental development will be limited. However, strong data analysis skills are desirable.