Le PSI dispose de l’une des meilleures sources de neutrons au monde, qui est actuellement en cours de modernisation. Le responsable du domaine de recherche Neutrons et muons, Christian Rüegg, nous explique sur place ce qui rend la technique des neutrons si particulière.

Actuellement, le PSI perfectionne son optique à neutrons, ainsi que plusieurs autres instruments de la SINQ.(Photos: Basil Stücheli/Conseil des EPF)

Les faisceaux de photons et les rayons X sont bien connus. Au PSI, les chercheurs font beaucoup d’expériences avec ces derniers. Mais Christian Rüegg, responsable du domaine de recherche Neutrons et muons, s’occupe d’un autre procédé d’imagerie qui, lui, fonctionne avec des neutrons. Ces neutrons sont fournis par la source de neutrons à spallation SINQ, qui a fêté ses 20 ans en 2017. Les sources de neutrons classiques sont des réacteurs de recherche, car la fission nucléaire libère des neutrons. La production de neutrons à l’aide d’un accélérateur de particules, telle que la pratique le PSI, est plus complexe. Première installation du genre à exploiter la spallation qui engendre un flux de neutrons continu, la SINQ est aujourd’hui encore la plus puissante.

L’analyse d’échantillons à l’aide de neutrons est peu différente de celle par rayons X: une source de neutrons permet elle aussi de voir à l’intérieur des objets. Ou de mesurer comment les neutrons changent de direction lorsqu’ils passent à travers un échantillon, ce qui permet de tirer des conclusions sur des structures régulières très fines, jusqu’au niveau atomique. «Tout l’art consiste à produire ces neutrons de manière très contrôlée, de les freiner et de les concentrer selon l’énergie souhaitée», explique le professeur Rüegg. Car la technologie neutronique doit travailler avec moins de particules que celle aux rayons X. «Lors de leur sélection, nous ne devons pas être trop difficiles, faute de quoi nous aurions trop peu de particules à la fin et n’aurions pas l’intensité nécessaire. En revanche, l’information fournie est unique et très précieuse.» Pour pouvoir capturer toutes les particules produites et dispersées, il faut donc une optique ultramoderne et des détecteurs particulièrement sensibles et efficaces.

«Une fois que tout aura été transformé, nous aurons la source équipée de la meilleure optique au monde.»

Actuellement, le PSI perfectionne son optique à neutrons, les conducteurs à neutrons qui acheminent les particules de la source jusqu’aux instruments, ainsi que plusieurs autres instruments de la SINQ. Un nouvel instrument, le spectromètre à neutrons CAMEA (Continuous Angle Multiple Energy Analysis), construit par le PSI en coopération avec l’EPFL, est déjà terminé et réglé pour un rendement optimal. Le professeur Rüegg l’affirme, la détection est «super-efficace». «Une fois que tout aura été transformé, nous aurons la source équipée de la meilleure optique au monde. Nos instruments, notamment le CAMEA, font partie des plus innovants au monde.» Pour ce faire, le PSI recourt à l’expertise de SwissNeutronics, sa spin-off, qui modernise l’optique à neutrons, avec des lentilles et des miroirs optimisés pour les rayons à neutrons, certains miroirs ayant jusqu’à 10 000 couches métalliques. Des mesures inédites et beaucoup plus précises seront donc possibles à partir de 2020. Le professeur Rüegg le souligne, l’expertise scientifique, mais aussi le savoir-faire technique du PSI sont capitaux. Et en la matière, l’établissement de recherche est au top, car il emploie les meilleurs scientifiques et des techniciens hors pair qui, pour répondre aux exigences élevées et donner corps à des idées très innovantes, construisent eux-mêmes nombre d’installations.

Les grandes installations de recherche du PSI offrent aux scientifiques du Domaine des EPF, aux hautes écoles suisses et à l’industrie mondiale des possibilités uniques d’expérimentation. La diffusion neutronique est souvent utilisée en complément de la diffraction des rayons X, par exemple pour déterminer la position d’atomes d’hydrogène ou de lithium presque invisibles aux rayons X ou pour visualiser des structures et des processus au sein de pièces métalliques. Cela ouvre de nombreuses possibilités d’applications d’analyse spécifiques, de la recherche fondamentale en physique et en chimie à la recherche sur les matériaux, sur l’énergie ou médicale. La technologie est par exemple très utile pour les travaux de recherche sur les batteries et pour l’observation in situ de processus chimiques. Mais c’est leur moment magnétique qui rend les neutrons encore plus intéressants. La diffusion neutronique constitue donc une méthode importante d’étude des structures et phénomènes magnétiques. Elle permet de rendre visibles des structures en couches de composants électroniques, quasiment lors du processus d’activation.

Christian Rüegg avec son équipe (de g. à d.): Christian Kägi, mécanique, Roman Bürge, électronique, et Dieter Graf, construction

L’interaction assez faible des neutrons avec l’échantillon à analyser est à la fois un avantage et un inconvénient. Actuellement, elle empêche la construction de détecteurs ayant une résolution encore plus fine et une efficacité de détection supérieure. Mais peu d’interaction signifie aussi une grande profondeur de pénétration et un examen non destructif, des atouts inestimables dans nombre d’applications, comme pour l’étude de grandes pièces métalliques industrielles ou d’objets d’art uniques.