HAL Id: jpa-00233913
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Conditions d’utilisation du cyclotron installé au Collège
de France
Pierre Savel
To cite this version:
LE
JOURNAL
DE
PHYSIQUE
ETLE RADIUM
CONDITIONS D’UTILISATION DU CYCLOTRON
INSTALLÉ
AUCOLLÈGE
DE FRANCEPar PIERRE SAVEL,
Sous-Directeur du Laboratoire de Chimie nucléaire au
Collège
de France.Sommaire. 2014 Le
cyclotron construit au Collège de France a été jusqu’à ce jour utilisé uniquement
pour l’accélération d’ions d’hydrogène lourd (deutérons) sous des tensions de l’ordre de 6 à 7 MeV.
Ces deutérons arrivent, soit sur des cibles diverses que l’on veut irradier, soit sur des cibles de glucinium ou de lithium pour une
production
intense de neutrons.Suivant la nature, la forme géométrique de la cible à irradier, le type de réaction nucléaire
envisagé, il se présente plusieurs possibilités d’emploi du cyclotron. Dans chacun des cas il est
intéressant de connaître, au moins approximativement, l’intensité de la source neutronique dont on dispose. Il nous a donc paru utile d’étudier successivement :
1° La répartition neutronique autour du cyclotron, principalement dans les secteurs libres de tout appareillage, et par conséquent utilisables pour la disposition des différentes cibles à irradier.
2° L’épaisseur optimum de paraffine à interposer entre les parois du cyclotron et la cible pour obtenir la plus grande intensité possible de neutrons lents. Ceci nous permettra de déterminer «
l’équi-valence » en radium du cyclotron.
3° La forme et la répartition du faisceau de deutérons dans la chambre de sortie.
SÉRIE V~III. -- TOME 1~’1. N° 5. MAI 19~5.
I. ---- Utilisation du
cyclotron.
Avant de
préciser
lespossibilités
ducyclotron,
nous allons donner
quelques
indications succinctessur les diverses conditions d’utilisation de cet
appareil.
io Faisceau. - a. Le faisceau de deutérons extrait
des électrodes creuses d’accélération
(dees)
par ledéflecteur,
tombe directement sur la cible à irradier(réactions
destypes
D- a,
D - p,
D - n).
La ciblepeut
se trouver, soit à l’intérieur de la chambrede
sortie,
soit à l’extérieur si cette dernière estfermée par une mince feuille d’aluminium
permet-tant la sortie des ions à l’air libre. Dan;. ]t:1s deux cas les dimensions de la cible ne doivent pas
dépasser
go x 25 mm.b. Le faisceau de deutérons tombe sur une
plaque
de
glucinium
ou de lithium fixée à l’intérieur de lachambre de sortie; les neutrons ainsi
produits
serventà irradier des cibles de formes les
plus
diversesréparties
autour de cette chambre(réactions
dutype
n - x, n - p,etc.).
2~ Sonde. -- On
peut
placer
sur le parcours desdeutérons,
entre les deux électrodesaccélératrices,
un ou deuxporte-cibles
de faibles dimensions quel’on
appelle
sondes.a. Sur ces
sondes,
énergiquement
refroidies,
onfixe, soit la cible à irradier
(réactions
D - z,
etc.),
diamètre maximum 17 mm, soit unepastille
de Be. Dans ce dernier cas, les neutrons créés sont utilisés pour irradier lesproduits placés
à l’extérieur de lachambre d’accélération.
b. La sonde
portant
lapastille
de Be est creuse; à l’intérieur decelle-ci,
et immédiatement derrièrele
glucinium,
onpeut glisser
une cible de faibles dimensions que l’on veut irradier avec des neutronsrapides
(diamètre
maximum, 17
mm).
3 ~ Méme en l’absence de sonde
portant
unepastille
de
glucinium
ou de lithium dans la chambre desortie,
il y a
toujours production
de neutrons du faitqu’une
partie
du faisceau de neutronsfrappe
unepastille
de Be fixée sur le talon du déflecteur. Ces neutrons sont alors utilisés à l’extérieur de la chambre d’accélé-ration.
122
Contrôle du fonctionnement du
cyclotron.
--Plusieurs méthodes sont utilisées
séparément
ou simultanément pour contrôler la marche ducyclotron.
10 Chambre d’ionisation. --- Une chambre
d’ioni-sation
remplie
d’air,
et degrandes
dimensions(5o 1),
placée
à demeure à une distance de 2 m ducyclotron,
est reliée à un électromètre Curie-Debierne situé sur la table de commande. Le courant d’ionisation
provoqué
par l’effet des neutrons est mesuré par laméthode de déviation constante. Par suite d’un défaut de
saturation,
les déviations ne sont pasproportionnelles
au courant d’ionisation dès quecelui-ci devient
important;
cette méthodepermet
seulement de vérifier et de maintenir larésonance,
mais
n’indique
que d’unefaçon
grossière
l’intensité durayonnement
neutronique.
2°
Cylindre
deFaraday.
- Le faisceau déviépar le déflecteur vient
frapper
la cible située au fond d’uncylindre
deFaraday;
la mesure du courantd’ions se fait alors directement sur un
microampère-mètre
placé
sur la table de commande.3° Méthode
calorimétrique.
- La cibleprécédente
et les sondes
placées
sur letrajet
des deutéronsentre les « dees » sont refroidies par un courant d’eau
constant et dont le débit est connu exactement;
l’élévation de
température
de cette eaupermet
de calculer lapuissance
perdue
par le faisceau d’ions arrivant sur ces cibles. Connaissantl’énergie
desdeutérons
exprimée
enélectrons-volts,
onpeut
en déduire le courant d’ions en[-LA.
On constate quele faisceau arrivant sur le
cylindre
deFaraday
n’estqu’une
fractionN
110)
du courant d’ions quepeuvent
recevoir les sondes.
4o
Electroscope
àaiguille.
z Unélectroscope
à
aiguille
depetites
dimensions,
rigoureusement
étanche,
estplacé
à demeure à une distancevoisine
de 1 ~ m du
cyclotron.
Ladécharge
se lit facilementgrâce
àl’aiguille
sedéplaçant
devant un cadrangradué.
On a pu ainsi établir la relation entre lapuissance
reçue par une sonde et la vitesse dedécharge
de coltékctroscopc.
Répartition neutronique
autour ducyclotron.
-
Lorsque
lecyclotron
est utilisé pour laproduction
de neutrons
lents,
plusieurs
secteurs libres de toutappareillage
peuvent
recevoir lesproduits
àirradier;
la
figure
i montrel’emplacement
de ces secteurs(1).
Comme détecteur de neutrons lents nous avons
employé
le vanadium depériode
3,75
min. Uneémulsion de V’05 dans le
xylol
renfermant un peu de baume duCanada,
était versée dansquatre
cuvettes de
plomb
del~8
mm de diamètre(le plomb
a été choisi commesupport
à cause de sa très faible (1) Pour permettre des expériences comparatives, ces secteurs ont été subdivisés.activité
provoquée
par lesneutrons). Après
évapo-ration on obtient une couche
compacte
de V205à peu
près
uniforme,
de massesuperficielle
voisinede
joo Mg/CM2.
Ces détecteurs étaient ensuiteFig. 1.
irradiés
séparément
et dans les mêmesconditions,
par les neutrons émis par une source de radium de
50o mg
mélangé
à de lapoudre
deglucinium.
L’activité était mesurée avecprécision
à l’aide d’unechambre d’ionisation fermée par une feuille
d’alu-minium de
J~~I
oooed’épaisseur
et reliée à unelampe
électromètre.Ainsi
étalonnés,
ces détecteurs, enfermés à l’in-térieur dequatre
blocs deparaffine identiques,
étaientalors
placés
sur un des secteurs utilisables dans uneposition soigneusement repérée.
On faisait ensuite fonctionner lecyclotron pendant
quelques
minutes,puis
l’activitérespective
des détecteurs était mesuréeavec le même
appareillage
queprécédemment.
Suivant les conditionsd’emploi
ducyclotron
(pas
desonde,
une ou deux sondesportant
duBe,
fais-ceaudévié),
onvoit,
ainsiqu’il
fallaits’y
attendre,
que l’activité relative des
quatre
détecteurs ‘ variedans de
larges
limites.Le tableau 1 résume ces résultats.
II. Rendement ou cc
équivalence »
du
cyclotron.
Dès la mise en service d’un nouvel
appareil
producteur
d’ionscapables
de provoquer destrans-mutations,
on a cherché à le caractériser par son rendement ou son «équivalence
» en radium. Onentend par ces
expressions
laquantité
de radiummélangé
à de lapoudre
deglucinium
dont il faudraitdisposer
pour obtenir le même nombre de neutrons que celuiqui
est effectivement émis par cetappareil.
L’évaluation de ce rendement
peut
se faire suivantplusieurs
méthodes,
mais devant la diversité desrésultats obtenus par différents auteurs il nous a semblé utile de
préciser
cepoint particulier.
La meilleure méthode pour déterminer le nombre
total de neutrons émis par une source est
certai-nement celle
préconisée
par Amaldi etFermi,
consistant à rendre
thermiques
tous ces neutrons,puis
àintégrer
les mesures de densiténeutronique
à différentes distances de la source.
Cette
méthode,
facilementapplicable lorsqu’il
s’agit
de déterminer le nombre de neutrons émispar une
ampoule
de(Ra
-E-Be)
ou(Rn
+Ee)
duvi, ntsouvent
impossible
à réaliserlorsque
l’on a affaireà des
appareils producteurs
de neutrons. Avec les tubes d’accélération d’ions verticaux ouhorizontaux,
onpeut
quelquefois
entourer la cible émettrice deneutrons d’un volume d’eau ou de
paraffme
assezgrand
nécessaire au ralentissement desneutrons,
mais dans le cas du
cyclotron
on doit renoncer àcette
possibilité.
Un autre moyen utilisé pour évaluer le rendement consiste à comparer l’activité
produite
dans un détecteur de neutrons par un f1; c au d’ions accéléréstombant sur une cible
approprié( (B J - Li
ouD),
etd’autre
part,
par une source naturelle(Rn Be)
mise à laplace
de la cibleprécédente;
toutes les autresconditions restant par ailleurs
identiques
dans les deuxexpériences.
On
peut
enfin mesurer l’ionisationproduite
parles
protons
projetés
par les neutrons issus de ce nouvelappareil,
oucompter
cesprotons
à l’aidede
compteurs
proportionnels
ou de chambres àdétente de Wilson et en déduire le nombre de
neutrons incidents.
Ces deux dernières méthodes ont été souvent
utilisées,
mais malheureusement les résultatspubliés
par divers auteursmanquent
deprécision
quant
aux conditions
géométriques
desexpériences,
cequi
rend lescomparaisons
difficile et illusoires. Onpeut
noter en (ff t des variations allant d’un facteur 2 à 2000 pour un même débit d’ions et une même tension d’accélération !(2).
La méthode d’Amaldi et Fermi n’étant pas
to
jours applicable,
onpourrait
cependant
estimerl’cfficaci é ü’un ipp reil
producteur
de neutronsd’un
type
quelconque,
d’une manièresimple, rapide
et d’uneprécision
suffisante,
encomparant
les activités d’ an détecteurapproprié,
obtenues aveccet
appareil,
d’unepart,
et, d’autrepart,
en utilisait au maximum lespossibilités
d’une source naturelle de neutrons(Ra + Be
ouRn + B~)
d’intensité connue. C’est en utilisant cette dernière m th, deque nous avons obtenu les résultats concernant le
cyclo
ron duCollège
de France.1. Activité maximum d’un détecteur de neutrons obtenue avec une source naturelle de
neutrons. - i° Neutrons lents. --- Nous
avons
employé
une source de neutrons constituée par unsel de radium contenant 5oo mg de radium
élément,
mélange
à de lapoudre
deglucinium.
Cette source,fabriquée
enBelgique,
seprésente
sous la forme d’uncylindre
métallique
de 15 mm de diamètre et de 20 mm delargeur.
Utilisant un volume d’eau de 2501 1 et une série de détec eurs de neutrons lents en
dysprosium,
nous avons, par la méthode d’Amaldi et
Fermi,
comparé
cette source à deuxampoules
de(Rn
+ Be(2I 5
et~5 m )
fabriquées
de la manière habituelle à l’Institut du Radi m de Paris. Dans les deux cas nous l’avons trouvéeéquivalente
à54o
mc de Rn + Be.Cette source
(Ra + Be)
était ensuiteplacée
dans une cavité creusée au centre d’un bloc deparaffine
de 3o cm de diamètre et de 3o cm de hauteur;
le détecteur de neutrons
lents,
ccmposé
d’undisque
de vanadiumprécédemment
décrit,
étaitplacé
à l’intérieur du bloc deparaffine
à des distancesvariables de la source
(Ra
+Be).
L’activité étaitmesurée dans une chambre d’ionisation ordinaire reliée à une
lampe
électromètre. L’intensité maximum a été trouvéelorsque
la source(Ra
+Be)
étaitplacée
horizontalement et le détecteur directement au-dessus d’elle. Dans c~ s conditions le courantd’ionisation à
l’origine
dutemps
et pour une124
d’acfivifé que nous pouvons obtenir avec notre source
de
Ra +
Be.2~ Neutrons
rapides.
- On saitque, suivant leur
éne-
gie,
la section efficace decapture
des neutronsrapides
varie dans de trèslarges
limites. Larépar-tition
énergétique
des neutronsprovenant
d’une source de Ra+ Be
et ducyclotron
(D ~ Be)
ou(D
+Li)
étant trèsdifférente,
l’équivalence
du
cyclotron
en neutronsrapides
varie donc suivantle détecteur
envisagé.
A titresimplement
indicatif,
nous avons utilisé un seul détecteur, lecuivre,
avecla réaction n - 2n donnant
~’ ,’’, C
depériode
12,8
h.Une feuille de cuivre rouge pur de 55 X 3o mm
enfermée dans une feuille de Cd était enroulée autour
de la source de Ra
-pue;
après
irradiationjusqu’à
saturation,
l’activité était mesurée aucompteur
Geiger-Müller;
àl’origine
dutemps
celle-ci étaitde 32
coupslmin. (Le
mouvement propre étantde
5,4
coup~/m’n.)
.
2. Activité maximum d’un détecteur de
neu-trons obtenue avec le
cyclotron.
- ~ ~ Neutrons lents. - a. Conditions del’expérience.
- SuivantFig. 2.
que les neutrons
proviennent
de la « sonde »portant
une
pastille
de Be ou de la cible irradiée par le fais-ceaudévié,
leur distribution de vitesse dans levoisinage
dudétecteur,
c’est-à-dire à une distance de leurorigine
de 3o cm dans lepremier
cas et de 2 à 3 cm dans lesecond,
doit êtredifférente;
uneépaisseur
différente deparaffine
paraît
êtrenéces-saire pour les ramener à la vitesse
d’agitation
thermique.
Nous avons donc recherché dans les deuxcas
quelle
étaitl’épaisseur
deparaffine
àinterposer
entre le détecteur et les
parois
extérieures ducyclotron
pour obtenir la
plus
forte activitépossible
de cedétecteur. Ce
dernier,
constitué par ledisque
devanadium,
étaitplacé
verticalement à hauteur du faisceau d’ions et était entouré d’un édifice construit avec desbriques
deparaffine.
On faisait alors varierseulement la couche de
paraffine
entre le détecteuret les
parois
ducyclotron.
Un détecteur témoinplacé
à une certaine distance ducyclotron
permettait
de vérifier le débit de neutrons au cours dechaque
irradiation. Lafigure 2
indique
les résultats trouvés.~
Fig. ~ et ~.
En ordonnées on a
porté
lerapport
des activités avec et sansparafïine y-
et en abscissesl’épaisseur
I0
de celle-ci. On voit que
quelle
que soitl’origine
desneutrons
(«
sonde » ou cibleBe) l’épaisseur optimum
de
paraffine
est la même et voisine de3,5
cm; avec une cibleLi,
les neutronsproduits
étantplus rapides,
l’activité maximum est obtenue avec un écran de4
cm.Le facteur
d’amplification
qui
est de 5 dans le cas de la sonde deBe,
passe à 3 avec la cible Beet à
4,
1 avec la cibleLi,
seules ces deux dernièresexpériences
peuvent
êtrecomparées,
car ledispo-sitif
géométrique
estidentique.
Dans lepremier
casil n’est pas
possible
d’entourer la source de neutronsavec une substance
hydrogénée
quelconque,
tandisque
les cibles de Be ou Li irradiées par le faisceau sontplacées
au fond d’uncylindre
deFaraday
quel’on
peut
noyer dans laparaffine.
En
dé f nitive
quel
que soit le mode d’utilisation ducyclotron, il
faudra toujours placer
entre lesparois
de ce dernier et le
produit
à irradier par neutrarts lents un écran de 3 à4
cm deparaffine,
pour obtenirl’aclivilé maximum.
b. «
Équivalence
» avec sonde. - La sonde Beno 1
étant à 3,5 cm à l’intérieur des « dees », on a pu vérifier que l’intensité
neutronique
étaitproportion-nelle à l’intensité
ionique
reçue par la sondedepuis
conditions,
c’est-à-dire le détecteurplacé
dans le secteur no 3 et avec un écran de 3,5 cm deparaffine,
le courant d’ionisation àl’origine
dutemps
a été trouvéégal
ào,oo9555
u. e. s. par watt, cequi
correspond
à unéquivalent
de9,75
g de Ra + Be par watt. Il faudrait doncdisposer
d’une sourcede Ra + Be contenant 2goo g de Ra pour
produire
la même activité que la sonde Be absorbant une
puissance ionique
de 3oo W. Il serapermis
d’aug-menter encore cette
puissance lorsque
l’on aurapu améliorer le refroidissement de la sonde. c.
Équivalence
avec cibles. -- On avérifié que l’activité du détecteur
placé
dans les meilleures conditions derrière la chambre deFaraday
étaitproportionnelle
au courant d’ions reçu par la cibledepuis
ipA jusqu’à
12,uA
(maximum
obtenuactuellement).
Fig. 5.
Avec la cible de
Be,
on a trouvé unéquivalent
de 600 g de
(Ra + Be),
alorsqu’avec
la cible de Li cetéquivalent
monte à 65o g. C’est donc au maximumd’une source
de 7800
g de RaBequ’il
faudraitdisposer
pour obtenir la même activité du détecteur de neutrons lents.’
20 N euirons
rapides.
- a.Équivalence
avec sonde.- La même feuille de cuivre
précédemment
utiliséeavec la source
(Ra + Be),
entourée debore,
étaitplacée
directement contre lesparois
ducyclotron
dans le secteur no 3 et à hauteur de la sonde.
Après
irradiation l’activité était mesurée avec le même
compteur
et dans les mêmes conditions que pourl’étalonnage.
Al’origine
dutemps
et pour uneirra-diation à saturation on obtient
4o6
coups/min/w,
ce
qui correspond
pour unepuissance
de 3oo wreçue par la sonde à un
équivalent
de 1900 gde Ra Be.
b.
Équivalence
avec sonde creuse. - La mêmefeuille de cuivre est
placée
au fond de la sonde creuseporta nt
unepastille
de Be. On trouve dans cesconditions un
équivalent
de 35,2 g de RaBe par wattcorrespondant
pour unepuissance
de 3oo W à unéquivalent
de 10 56o g de RaBe.c.
Équivalence
avec cib’es de Be et Li. - Le mêmedétecteur,
toujours
entouré debore,
est fixé àl’extérieur du
cyclotron
immédiatement derrière la cible irradiée paw le faisceau de deutons.L’équivalent
trouvé a été dans le cas de la cible de Be de4Iog/uA
alorsqu’avec
la cible de Li il-devenait 1g25
Onpeut
donc obtenir uneéquivalence
de 4
g2o g de RaBe dans un cas et de 23 100 g de RaBe dansl’autre,
lorsque
le courantd’ions arrivant sur la cible atteint 12
Il reste bien entendu que tous ces résultats
concer-nant les neutrons
rapides
sont valablesuniquement
pour la réaction n -- 2n avec d’autresdétecteurs et pour d’autres réactions on doit s’attendre à des résultats différents.
Résultats obtenus par
l’emploi
de la deuxième méthode. - A titre decomparaison
nous avons déterminé l’ «équivalence
» ducyclotron
suivant la deuxième méthodeindiquée plus
haut et très souventemployée
par divers auteurs. a. Sonde. --- Lasource naturelle de RaBe a été fixée à l’intérieur du
cyclotron
à laplace
de la sonde no1;
le détecteur resté dans la mêmeposition
queprécédemment
dans le secteur nO 3 neprésentant
pas une activité mesurable par la méthode
d’ioni-sation,
nous avons dû utiliser uncompteur
Geiger-Müller. Le
rapport
entre l’activité maximum obtenueavec notre source de RaBe et celle que l’on obtient
dans ces conditions était de =
40
+4.
Afin
d’augmenter
laprécision
de cetteexpérience,
nous l’avons
répétée
avec un détecteur de neutrons lents endysprosium.
Il est alors très facile de mesurerles activités par la méthode
d’ionisation,
et dans ces conditions lerapport
-"2013~
a été trouvéégal
à
3g,6.
Ensupposant
que la distributionneutronique
autour de la sonde
portant
unepastille
de Be etde la source de RaBe est peu différente
(une
vérifi-cationrapide
montréqu’il
en est bienainsi),
on obtiendrait par ceprocédé
une «équivalence »
de 2900 X39,6
=II4 840
g de Ra Be. b. Cible Be et Li. - La
source RaBe est fixée
cette fois dans la chambre de
Faraday
au milieude la cible de Be ou de Li.
(On
doit laisser ces deux ciblesépaisses
enplace,
car il est nécessaire de ne pasnégliger
l’absorption,
dans les couchesprofondes,
des neutrons
produits
ensurface.)
Le détecteur estplacé
commeauparavant
dans les meilleures conditionspossibles
à l’extérieur ducyclotron.
Le
rapport
i 1.1
devient 2,o dans le cas de la cible de Be et 1 ,80 pour la cible de Li. L’ «équivalence »
126
c. Sonde creuse. - A l’extrémité de la sonde
creuse et sur la
pastille
deBe,
on a fixé la sourceRaBe;
la feuille de cu vre étaitplacée
au fond de la sonde comme dansl’expérience
analogue.
Dans ces conditions5,5
etl’équivalent
serait de io 5o X5,5
= 58 08o g
de Ra Be.Le tableau II résume tous ces résultats.
TABLEAU II.
On
voit,
d’après
cesquelques exemples, qu’il
estnécessaire et
indispensable
de bienpréciser
les conditionsqui
ontprésidé
à l’établissement de cette«
équivalence
» si l’on veutprésenter
cette donnéecomme une
caractéristique
del’appareil.
Forme du faisceau et
répartition
de l’intensité des deutérons. - Dans certainesexpériences :
cibles de faibles dimensions par
exemple,
ilpeut
être très
important
de connaître avecprécision
la forme et larépartition
de l’intensité du faisceau de deutérons afind’utiliser
celui-ci dans les meilleur sconditions
possibles.
Dans cebut,
nous avons fixé sur lapièce porte-cible
une feuille de cuivre de go mm delongueur,
28 mm de hauteur et de2/ice
demillimètre
d’épaisseur; après
irradiation par lefaisceau,
cette feuille a étédécoupée
en 15 trancheségales
de 6 X 28 mm et pour chacune d’elles on a mesuré son activité. Cetteexpérience
nous fournit la forme duspectre
dans le senslatéral;
un deuxièmeessai,
danslequel
la feuille de cuivre estdécoupée
Fig. 6.
en 7 tranches
égales
de4
X go mm, nous donne la forme duspectre
dans le sens vertical. Les résultatsindiqués
sur lafigure
6 montrentqu’une
cible de 12 mm de hauteur sur 60 mm delargeur reçoit
environ go pour 10o de l’intensite totale du faisceau.
Conclusions. -- Cette
étude,
destinée auxutili-sateurs éventuels du
cyclotron
duCollège
deFrance,
fournit un certain nombre de données
essentiel-lement
pratiques
sur lespossibilités
actuelles decet
appareil.
Grâce à ces données
qui
permettent
de déter-miner à l’avance les formes.géométriques
desdiffé-rents
produits
à irradier et l’ordre degrandeur
des activités que l’onpeut
espérer,
il estpossible
deprévoir
lesexpériences
réalisables avec chances de succès et d’éliminer cellesqui
auraient pu êtretentées inutilement en l’absence de ces
infor-mations (3».
(3) En 1945;. le courant de deu’érons a attein" i7p.A, ’es
