Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
Malgré la rareté des sources, les faisceaux de neutrons sont très appréciés à cause de leurs propriétés exceptionnelles de pénétration et d’activation de la matière. Ces propriétés leur permettent de fournir des informations sur les arrangements et les mouvements des atomes et des molécules. La diffusion des neutrons est ainsi de plus en plus exploitée en biologie, médecine et sciences de la terre. Après un rappel sur les propriétés des neutrons, l’article aborde la préparation des faisceaux de neutrons, puis s’attarde ensuite sur les applications, mesures de traces, radiographie neutronique, accessibles à ce jour.
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Gérard PÉPY : Conseiller scientifique au Commissariat à l’Énergie Atomique, Laboratoire Léon Brillouin, CEA Saclay
INTRODUCTION
Chacun sait que, à l’échelle atomique, les propriétés de la Nature sont étonnantes, bien souvent déroutantes. A priori, l’étude ou la caractérisation des matériaux au moyen de particules élémentaires telles que les neutrons ne va pas de soi. Cependant les propriétés des neutrons, grande capacité de pénétration, grande sensibilité au magnétisme, aux éléments légers, à la dynamique des atomes et des molécules, en font un outil de choix. L’apprentissage de quelques principes de base permet de comprendre rapidement comment réaliser des expériences et interpréter les mesures. Bien sûr, l’aide d’un spécialiste sera indispensable pour leur réussite et l’extraction du maximum d’informations possibles, mais l’abord de cette technique est relativement aisé.
L’intérêt des neutrons thermiques est essentiellement de fournir des informations sur les arrangements des atomes et des molécules et leurs mouvements au sein de la matière. La majorité des expériences ne relève plus de la physique proprement dite, mais de la chimie et des sciences de l’ingénieur. Et la diffusion des neutrons est de plus en plus utilisée en biologie, sciences de la terre, voire archéologie.
Dans cette série de dossiers deux sont dévolus à la « neutronique » en tant que science de production des neutrons : « Bases de neutronique. Migration des neutrons » et « Bases de neutronique. Physique et calcul des réacteurs ». Par ailleurs, on trouvera dans J.P. Cotton « Diffraction et spectrométrie des neutrons » [P 1 095] un exposé complet des notions théoriques de base. Dans un souci de complémentarité le présent dossier expose plutôt des exemples d’application afin de donner au lecteur l’envie d’essayer… Cependant le début de ce texte rappelle les quelques informations nécessaires afin que le lecteur puisse aborder aisément la suite sans devoir se reporter fréquemment au dossier de J.P. Cotton (qui propose une bibliographie très complète).
On pourra aussi trouver des informations sur les sites WEB des sources de neutrons implantées en France, le Laboratoire Léon Brillouin à Saclay (LLB) et l’Institut Laue-Langevin à Grenoble (ILL) http://www-llb.cea.fr/ http://www.ill.fr/. Le LLB a créé un site orienté vers les applications industrielles : http://www-llb.cea.fr/industrie/index.html.
Pour approfondir, on lira avec profit un cours théorique : le compte rendu d’une École sur la « Diffusion des neutrons et Sciences des Matériaux » : https://www.ill.eu/fr/infos-presse-evenements/press-corner/presse-et-infos/les-neutrons-offrent-une-nouvelle-vision-de-la-conductivite-thermique-dans-les-materiaux-complexes. Enfin, La Société Française de la Neutronique (SFN) propose diverses informations, notamment des fiches pédagogiques et la « page des neutronautes » http://www.sfn.asso.fr/. En fin de dossier, on trouvera une liste des principaux laboratoires européens utilisant les faisceaux de neutrons ainsi que quelques références de livres fondamentaux. Une liste plus complète se trouve dans le dossier de J.P. Cotton.
Ce dossier traite de la préparation des faisceaux de neutrons thermiques et des applications liées à leurs propriétés de pénétration et d’activation de la matière. Le dossier suivant aborde les nombreuses méthodes utilisant les propriétés ondulatoires des neutrons (leur diffusion par la matière).
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Production de neutrons thermiques
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5. Traitement du cancer
On sait que les cellules cancéreuses sont plus sensibles que les cellules normales aux effets léthaux des rayonnements ionisants, les neutrons peuvent donc être utilisés pour soigner des cancers. On peut augmenter leur efficacité par une technique binaire : la thérapie par capture de neutrons par le bore (BNCT : Boron neutron capture therapy).
L’idée originelle consiste à accumuler un isotope du bore très absorbant pour les neutrons thermiques (10B) au sein des cellules cancéreuses, puis à irradier la région malade par un faisceau de neutrons. Les noyaux de 10B absorbent les neutrons et sont fissionnés en produisant une particule α et un 7Li dont l’énergie cinétique totale est d’environ 2,4 MeV, ainsi qu’un rayon γ de moindre énergie (figure 8). Le libre parcours moyen des particules α et 7Li est d’environ 12 µm, soit la dimension d’une cellule cancéreuse. De plus ces particules sont particulièrement mortifères, même pour des cellules malades mais ne se divisant pas. Idéalement, on parviendrait ainsi à limiter les destructions aux cellules cancéreuses. Un autre avantage de cette méthode réside dans l’utilisation de l’émission des γ de capture par le 10B pour faire une dosimétrie de la dose reçue ainsi que sa localisation.
Cependant, cette méthode souffre de deux difficultés :
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tout d’abord, il est essentiel de disposer de molécules borées qui aillent se fixer de manière sélective et massive dans les cellules cancéreuses ; de telles molécules sont encore rares ;
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ensuite, l’azote et surtout l’hydrogène étant très abondants dans le corps humain, même si l’absorption par un noyau N ou H est très minime, elle finit par être significative.
Les neutrons thermiques ne pénétreraient guère au-delà de 4 cm. Il faut donc utiliser des neutrons épithermiques (d’énergie allant de 0,5 eV à 1 keV) plus pénétrants : l’absorption par N, H et 10B augmente au fur et à mesure de la thermalisation des neutrons épithermiques ; la structure en énergie du faisceau épithermique doit être modelée afin d’optimiser la thermalisation dans la zone à traiter. De toutes façons, à cause de l’absorption par H et N des dégâts se produisent sur le trajet du faisceau indépendamment...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - SEARS (V.F.) - * - 1992 Neutrons News 3 26.
-
(2) - GAUDRY (A.), ZEROUAL (S.), CHERKAOUI (R.), el MOURSLI, GUESSOUS (A.), CHOUAK (A.), MOURADI (A.), GIVERNAUD (T.), MOSKURA (M.), DELMAS (R.) - Neutron activation analysis applied to the study of heavy metal marine pollution observed through bioaccumulation in macroscopic algae near - . El Jadida, Morocco, J. Rad. Anal. Chem., sous presse, 2005.
-
(3) - KASZTOVSZKY (Z.), KUNICKI-GOLDFINGER (J.) - * - Soumis à la conférence « ART 05 » 15-19 Mai 2005, Lecce.
-
(4) - BAYON (G.), WINKLER (B.), KAHLE (A.), HENNION (B.), BOUTROUILLE (P.) - Application of dynamic neutron imaging in the earth sciences to determine viscosities and densities of silicate melts - . Nondestructive testing and evaluation, vol. 16, part 2/6, pp. 287-296 (2001). http://neutra.web.psi.ch/publication/bulk_rock_winkler_ejm.pdf
-
(5) - KAHLE (A.), WINKLER (B.), HENNION (B.), BOUTROUILLE (P.) - Hight-temperature furnace for dynamic neutron radiography - . Rev. Sci. Instr. 74, vol. 8, pp. 3717-3721 (2003).
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ANNEXES
1.1 Principales sources de neutrons européennes
Réacteur à haut flux, Institut Laue Langevin, Grenoble, France http://www.ill.fr/
Orphée, Laboratoire Léon Brillouin, Saclay, France https://www-llb.cea.fr/Phocea/Vie_des_labos/Ast/index.php
ISIS, Rutherford Appleton Laboratory, Oxford, Grande-Bretagne https://www.isis.stfc.ac.uk/Pages/home.aspx
SINQ, Paul Scherrer Institut, Villigen, Suisse http://www.psi.ch/
FRM II, Université Technique de Münich, Allemagne https://www.frm2.tum.de/frm2/startseite/
HMI, Hahn Meitner Institut, Berlin, Allemagne http://www.hmi.de/
FRG-1, GeNF, Geesthacht, Allemagne http://www.gkss.de/
Technical University, Delft, Pays-Bas https://www.tudelft.nl/
BRR, Budapest Hongrie http://www.szfki.hu/nspectr/
IBR-2, Dubna, Russie http://flnph.jinr.ru/en/facilities/ibr-2
HAUT DE PAGE1.2 Source de neutrons épithermiques pour les applications médicales
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