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Isabelle BAILLY Laboratoire des Accélérateurs ElectroStatiques SFP-Journées Accélérateurs PORQUEROLLES 5-7 Octobre 2003

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Isabelle BAILLYLaboratoire des Accélérateurs ElectroStatiques

SFP-Journées Accélérateurs

PORQUEROLLES 5-7 Octobre 2003

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Présentation généralePrésentation générale

Les Accélérateurs Électrostatiques 4MV et 7MV

Applications des Accélérateurs ÉlectroStatiques

Production de neutrons monocinétiques

Pulsation et Compression

Laboratoire des Accélérateurs ÉlectroStatiques

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LAES (I)

Laboratoire des Accélérateurs ÉlectroStatiques

11 personnes2 ingénieurs – chercheurs (annexe I) 9 opérateurs machine (annexe II)

correspondant utilisateurGSR cibles de productionspécialistes technique de vide, mécanique……

2 accélérateurs électrostatiquesVan de Graaff 4 MVVan de Graaff – tandem 7 MV

Département de Physique Théorique et Appliquée (DPTA)

Service de Physique des Accélérateurs et Applications (SP2A)

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Laboratoire des Accélérateurs ÉlectroStatiques

Analysematériaux

(DRMN,DMAT)

pôle CEA (DSM, DSV)

+ extérieur

Physique nucléaire

(DPTA)

Vieillissement (DRMN,DCRE,DPTA)

Etalonnage détecteurs

neutron(DCRE,DPTA,DRMN)

28 %

20%15.6%

22.4%

14%

Distribution du temps de faisceau en 2002

1H, 2H, 3He, 4He, Basse énergie et fort courant

Faisceaux secondaires : +Neutrons (+ monitorage) Energie: 30 keV7 MeV

et > 15 MeV Flux ~107 n/s/sr

Tandem Van de Graaff 7 MV

1H, 2H, 3He, 4He, …Haute énergie, courant moyen

C … Au Energie: qqMeV/u Faisceaux secondaires: neutrons

Van

de

Gra

aff 4

MV

LAES (II)

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Laboratoire des Accélérateurs ÉlectroStatiquesSystème de management de la QUALITE Norme ISO 9001 version 2000

CLIENTS

exigences

CLIENTS

Satisfaction

Responsabilité de la direction

Management des ressources

Mesures, analyseet amélioration

Réalisation du produit

PRODUIT

Suite….. management environnemental norme ISO 14001

Amélioration continue du système de management de la qualité

LAES (III)

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LAES (IV)

4 MV 7 MV 4 MV 7 MV 4 MV 7 MVM 1 S 1 S 1

J 2 D 2 D 2

V 3 L 3 6 L 3 10

S 4 M 4 Assaillit Sauvestre M 4 Petibon

D 5 M 5 DRMN/SRNC DCRE/SEIM M 5 DPTA/SP2A ENTRETIEN

L 6 2 J 6 Mobley LA03 90° J 6 µsonde

M 7 Petibon D'Hose V 7 V 7

M 8 DPTA/SP2A DCRE/SEIM S 8 S 8

J 9 µsonde LA03 90° D 9 D 9

V 10 L 10 7 L 10 11

S 11 M 11 Assaillit Poncy M 11

D 12 M 12 DRMN/SRNC DSV/DRR M 12 ENTRETIEN ENTRETIEN

L 13 3 J 13 Mobley L2 ligne 22° J 13

M 14 Ledoux V 14 V 14

M 15 ENTRETIEN DPTA/SPN S 15 S 15

J 16 L2 ligne 11° D 16 D 16

V 17 L 17 8 L 17 12

S 18 M 18 Landoas Zielinsky M 18 Jehanno

D 19 M 19 DCRE/SDE DPTA/SP2A M 19 DRMN/SMCI ENTRETIEN

L 20 4 J 20 Mobley LA03 90° J 20 mixage

M 21 Jehanno Zielinsky V 21 V 21 flament

M 22 DRMN/SMCI DPTA/SP2A S 22 S 22

J 23 mixage LA03 90° D 23 D 23

V 24 L 24 9 L 24 13

S 25 M 25 Granier Grynzpan M 25 Petibon

D 26 M 26 DPTA/SPN CNRS M 26 DPTA/SP2A ENTRETIEN

L 27 DPTA/SP2A 5 J 27 Mobley LA03 90° J 27 µsonde

M 28 IRSN Fernandez V 28 V 28

M 29 DCRE/SDE ESA S 29

J 30 Mobley L2 ligne 22° D 30

V 31 L 31 14

JANVIER FEVRIER MARS

fermeture Centre DIF ou CEA ou jours fériés ou arrêt machine

4 MV 7 MV 4 MV 7 MV 4 MV 7 MV 4 MV 7 MVM 1 Barreau Delaunay J 1 D 1 M 1 Hamel Delaunay

M 2 CENBG DRMN/SEMN V 2 L 2 23 M 2 DMAT/SCMF DRMN/SEMN

J 3 DPTA/SPN LA03 45° S 3 M 3 Lahaye Fernandez J 3 µsonde LA03 45°

V 4 Mobley D 4 M 4 IRSN ESA V 4

S 5 L 5 19 J 5 IRSN L2 ligne 22° S 5

D 6 M 6 V 6 D 6

L 7 15 M 7 S 7 L 7 28

M 8 Barreau Delaunay J 8 D 8 M 8 Jehanno varignon

M 9 CENBG DRMN/SEMN V 9 L 9 24 M 9 DRMN/SMCI DPTA/SPN

J 10 DPTA/SPN LA03 45° S 10 M 10 Landoas varignon J 10 mixage L2 ligne 11°

V 11 Mobley D 11 M 11 DCRE/SDE DPTA/SPN V 11

S 12 L 12 20 J 12 Mobley L2 ligne 11° S 12

D 13 M 13 V 13 D 13

L 14 16 M 14 ENTRETIEN ENTRETIEN S 14 L 14 29

M 15 Granier Varignon J 15 D 15 M 15

M 16 DPTA/SPN DPTA/SPN V 16 L 16 25 M 16

J 17 Mobley L2 ligne 11° S 17 M 17 Petibon Zielinsky J 17

V 18 D 18 M 18 DPTA/SP2A DPTA/SP2A V 18

S 19 L 19 21 J 19 µsonde LA03 90° S 19

D 20 M 20 Petibon Zielinsky V 20 D 20

L 21 17 M 21 DPTA/SP2A Flament S 21 L 21 30

M 22 Jehanno test J 22 µsonde ions lourds D 22 M 22

M 23 DRMN/SMCI source V 23 DPTA/SP2A L 23 26 M 23

J 24 mixage ions lourds S 24 M 24 Landoas varignon J 24

V 25 DPTA/SP2A D 25 M 25 DCRE/SDE DPTA/SPN V 25

S 26 L 26 Hamel 22 J 26 Mobley L2 ligne 11° S 26

D 27 M 27 DMAT/SCMF LA02 V 27 D 27

L 28 Gressier 18 M 28 µsonde DPTA/SP2A S 28 L 28 31

M 29 IRSN Flament J 29 D 29 M 29

M 30 Mobley LA02 V 30 L 30 27 M 30

S 31 J 31

entretien étude ligne ou machine DPTA/SP2A

AVRIL

étude faisceau + ligne

MAI JUIN JUILLET

étude faisceau + ligne

Expression du besoin :Demande de temps de faisceau Établissement d’un planning de

répartition du temps de faisceauDEMANDE DE TEMPS DE FAISCEAU SUR LES ACCELERATEURS ELECTROSTATIQUES

(Retourner les 2 exemplaires à DIF/DPTA/SP2A/LAES, BP12, 91680 Bruyères-le-Châtel - I. BAILLY) Sujet de l’expérience : Est ce un nouveau programme ? oui non Nom du responsable de l’expérience :……………………………………………………… Adresse de l’organisme demandeur :…………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………… Tel : ……………………………………… Fax : ……………………………………... e-mail : …………………………………… Imputation budgétaire : n° EOTP ……………………………. Tâche …………………….. Caractéristiques du faisceau Accélérateur : Tandem 7MV VdG 4MV Salle ou ligne utilisée :………………….

Nature Energie des ions (MeV) Continu (C) Intensité Energie des neutrons (keV) des ions minimale maximale Pulsé (P) maximale minimale maximale Temps de faisceau Temps demandé : Dates préférentielles : Remarques :

Date :……/……/……, Signature du responsable de l’expérience

Suite à la réunion planning du ……/ ……/ ……, le temps d’utilisation des faisceaux des accélérateurs électrostatiques du Département de Physique Théorique et Appliquée (DPTA) qui vous a été attribué pour ce …… semestre ……. , est de …. jours, répartis sur …… semaines (numéros ………….…). Votre correspondant d’expérience est ………………………………………. 01 69 26 …. …. . Les conditions d’expérimentations sur les accélérateurs électrostatiques sont précisées au verso de cette page.

Le ……/ ……/ ……, à Bruyères-le-Châtel P.O. le responsable du Laboratoire des Accélérateurs Electrostatiques

Liens avec le client ?

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LAES (V)

PU-A-2002

N° semaine : Année :

Programme prévisionnel d’utilisation des accélérateurs électrostatiques Van de Graaff 4 MV Van de Graaff – Tandem 7 MV

DIF

DPTA

Correspondant d’expérience : …………………………………………………………………………………………………………………………………. Utilisateurs et catégorie radiologique ( A, B, NE) :……………………………………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Objet de l’expérience : …………………………………………………………………………………………………………………………………………..

Lundi Mardi Mercredi Jeudi Vendredi

Continu / pulsé1

Ions

Energie

Faisceau d’ions

Intensité

Energie neutron

nature

Cibles épaisseur

demandées

Sources radioactives amenées

Horaires de fin d’expérience (19h, 22h ou nuit)

Interventions sur le montage expérimental ou sur la ligne en dehors des heures ouvrables (O/N)

Entrée de matériel sur le Centre DIF oui2 non

A retourner au plus tard 10 jours avant l’expérience à Isabelle Bailly par fax 01 69 26 70 24 ou par e-mail : [email protected], merci d’avance.

1 Précisez, si possible, les caractéristiques des impulsions (période, durée et amplitude) 2 Envoyer à Isabelle Bailly au plus tard 2 jours avant l’expérience la liste du matériel et se munir de cette liste lors de l’entrée sur le Centre DIF

FICHE de SECURITE (1/2) – Accord Préalable Programme Accélérateurs : TANDEM 4 MV ELSA Semaine : Hors programme Accélérateurs : PN P2A

DIF

DPTA

CORRESPONDANT d’EXPERIENCE : Nom : Visa : OPERATION (Expérimentation ou intervention) : Dates, période ou durée : au

Identité et classement radiologique des expérimentateurs : A B NE

…………………………………………………… …………………………………………………… ……………………………………………………

…………………………………………………… …………………………………………………… …………………………………………………… …………………………………………………… …………………………………………………… …………………………………………………… ……………………………………………………

Dérogation ou accès réglementé nécessaire : Dérogation SPR accès réglementé Physicien

Horaires spéciaux : SOIREE NUIT

CONSIGNES APPLICABLES et FORMATION Règles Générales d’Exploitation Autres consignes particulières, mode opératoire ou

procédures :

Les expérimentateurs ont-ils déjà été formés au poste de travail ?

Oui Non Complément d’information demandé

…….. (voir page 2/2) Fiche de retour d’expérience :

Oui … Non

Laboratoire ou Salle : (uniquement pour les accélérateurs) Ligne : Courant: Energie: Particules:

Prévisions d’utilisation de SOURCES RADIOISOTOPIQUES ou MATIERES NUCLEAIRES :

Cf252 Cs137 Co60 Eu AmBe Na22 Am241 3 corps PG2 RaBe Y88 Ba133 105 cps/s Pu239 Autres :

Maintien sur place hors Heures ouvrées

CIBLES PRODUCTRICES de RAYONNEMENT

Nature :

Référence :

ECHANTILLONS IRRADIES

Nature:

RISQUES : Activation ? Contrôle demandé Radiologique Chimique Biologique Autres risques particuliers:

ANALYSE PARTICULIERE - CONSIGNES et RECOMMANDATIONS SPECIALES (formulées par le GRI/L, l’ISI et/ou l’AS en concertation avec le Correspondant d’Expérience) :

AVIS après

analyse des risques

GRI/L: Le:

ISI ou AS: Le :

OPERATION AUTORISEE le: / / le Chef d’Installation :

Numéro d’enregistrement : FS ___ ___ ___ Fiche de suivi (2/2) : Oui Non Année – mois – N°ordre:

Aspect sécurité (et Environnement ?) Norme ISO 140001Programme expérimental

décrit par le client-utilisateur

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LAES (VI)

REx-A-2002

N° semaine : Année :

Fiche de retour d’expérience Van de Graaff 4 MV Van de Graaff – Tandem 7 MV

DIF

DPTA

Salle d’expérience / ligne :…………………………………………………………… Correspondant d’expérience :………………………………………………… Nom des utilisateurs : ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Objet de l’expérience : ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

Lundi Mardi Mercredi Jeudi Vendredi

Horaire prévu

Nature et mode

Faisceau : Gamme d’énergie / courant

Observations : - Faisceau

- Expérimentation

- Sécurité

Bilan de la semaine : % d’objectifs atteints 0 % 10 % 20 % 30 % 40 % 50 % 60 % 70 % 80 % 90 % 100 % Si <50%, précisez : Suggestions : A envoyer au chef du LAES et au correspondant d’expérience avec copie au chef d’installation et à l’Ingénieur Sécurité (avec PJ s’il y a lieu)

Indicateurs de satisfaction client

Temps de disponibilité faisceau

% d’objectifs atteints par le client

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Les Accélérateurs ÉlectroStatiques

Acc. (I)Acc. (I)

Légende

Hall tank accélérateur

Hall principal d'expérim entation

Hall m icrosonde nucléaire

L3T

L3 H1

L3 H2

L3 H2L3 T

L3 H1

Réservoirdestockage

Porte chicane Sud

Tankaccélérateur

Portechicane

Nord

Porte lourde Nord

Microsondenucléaire

Ligne Mixage Ionique

Ligne Mobley ( + 45°)

Ligne - 15°

Ligne - 45°

Ligne - 60°

droite

gauche+

_

L3 H5

L3 H3

L3 H4

L3 H3

L3 H4

L3 H5

Local d ’éta lonnage

SAS propre

SAS d’entrée / sortie

5 lignes de faisceau2 salles d’expérience

Plan de l’accélérateur électrostatique

Van de Graaff 4 MV

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Acc.(II)Acc.(II)

Les Accélérateurs ÉlectroStatiques

1H, 2H,3He, 4HeÉnergie 500 keV à 4 MeVFaisceau continu : courant > 300µA pour des énergies > 1.5 MeVFaisceau pulsé :

-Par hachage entre la source et le tube accélérateur : 10 ns, 2.5 MHz-Par compression magnétique MOBLEY : 1 ns, 2.5 MHz

Xe : Énergie jusqu’à 1.5 MeV: mesure 12 µA à 1.2 MeV

Caractéristiques des faisceaux d’ions de l’accélérateur électrostatique Van de Graaff 4 MV

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Acc. (III)

Les Accélérateurs ÉlectroStatiques

SCTANDEM

LA04

LA02

La01

LA03

local auxiliaires TANDEM

L/2

Ligne 0°

Ligne - 45°

S M

Ligne + 45°

Ligne - 90°

Ligne + 11°0°

Ligne + 22°

Ligne + 45°

S M

Légende:

: Salle de com m ande

: Salles de m esures

: Locaux techniques

: Salle de repos

T

S M

R

SC

SM

T

R

LA01 : Salle d 'expérim entation N° 1

LA02 : Salle d 'expérim entation N ° 2

LA03 : Salle d 'expérim entation N° 3

LA04 : H all de l'accélérateur

N° P lan : 7M V lignes 2002 N 0

1 : Source IBA ( protons et deutons )

2 : Source ICO N EX 860 ( L i à Au )

3 : Source ALPHATRO SS ( HE et H E )4 3

T

TTL

L2

C O M PLEXE AC C ELER ATEU R S - TAN D EM N iveau zéro

T

1 Source IBA2 Source iconex 8603 source alphatross

LA01: salle d’expérimentation n°1LA02: salle d’expérimentation n°2LA03: salle d’expérimentation n°3LA04: hall accélérateur

7 lignes de faisceau et 4 salles d’expérience

Accélérateur électrostatique Van de Graaff- Tandem 7 MV

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Acc. (IV)

Les Accélérateurs ÉlectroStatiquesCaractéristiques des faisceaux d’ions de l’accélérateur

électrostatique Van de Graaff –tandem 7 MV

Source IBA : 1H, 2H Énergie 2 à 14 MeV Source en continu + faisceau en continu, courant limité à 20 µASource en continu + faisceau pulsé, 1à 2 ns, Imoyen ~1 µA, fmax = 2.5 MHz Source en mode pulsé, 100 µs, Icrête= 300 µA, fréquence max = 100 Hz

Source ALPHATROSS : 3He, 4He Énergie 2 à 21 MeV mode continufaisceau en continu, courant entrée machine 1.5 µAfaisceau pulsé, ~2ns, Imoyen= 50 nA, fmax = 2.5 MHz

Source ICONEX 860 : Ions lourds (B, C, F, P, S, Ni, Cu, …I, Au)Énergie: de quelques MeV à 100 MeV selon les ions en mode continuLe courant dépend de -l’ion accéléré

-de l’état de chargefaisceau pulsé, qq ns, fmax = 2.5 MHz

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Appli. (I)

Domaine d’utilisation des accélérateurs électrostatiques

Physique nucléaire et neutronique :-CARMEN-CIRENE : -MUSTARD :

Étalonnage de détecteur : - dosimètrie neutronique,- étalonnage neutrons,- spectromètrie

Irradiations de matériaux : (modulation dose, débit, énergie des ions, dépôt par particule)

- vieillissement du Pu- radiobiologie sur cellules vivantes- modélisation irradiation spatiale

Analyses de matériaux : (par microsonde et/ou par faisceau d’ions non focalisé)

- éléments constituants- profil de concentration…

caractérisation des isomères

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Appli. (II)

Physique NucléaireMesure des sections efficaces (n, xn)

Production d’un « faisceau » collimaté de neutrons monocinétiques

Casemate en béton

Mur enplomb

CARMENCompteurs Associés Relatif à la Mesure des Neutrons

Spectre en énergie des neutrons (à angle et énergie incidente donnés) corrélé à la multiplicité neutronique de chaque réaction

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Appli. (III)

Objectif principal est une exploration approfondie des sites célestes émissifs dans la bande spectrale des rayons gamma de basse énergie.

INTEGRAL (International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory)

mission astronomique de l'Agence Spatiale Européenne.

Etalonnage du spectromètre d’INTEGRAL sur le site de DIF

(accélérateur VdG-4 MeV)

1- étalonnage en énergie par des photons émis par des

sources (E=60 keV à 1.8 MeV)

ou produits par interaction ions-cible (E=1.8 à 8 MeV)

2- reconstitution des imagesÉtalonnage avec des sources

lointaines

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Appli. (IV)

ScintillatorNe102 + PM

Feuille de fin de ligne (HAVAR)

puits de culture de cellules

12

34

5

Irradiation de culture de cellules Faisceau diffusé sur une feuille d’or et extrait du vide des lignes,

Pour la DSV, faisceau de particules alpha d’énergie à l’entrée de la cellule variable de 2 à 16 MeV, de 104 à 109 /cm²/s

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neutron (I)

Production d’un champ de Neutrons Monocinétiques

Cible de productionTi/T, Ti/D, 7Li

Support Au ou Ta

Faisceau primaire d’ions(p ou d)

Détecteur neutronNE213 + PMBF3

Chaîne d’acquisition

programme de calcul cinématique de réaction et de flux de neutron:+ énergie du faisceau primaire/ faisceau neutron en fonction de l’angle+ détermination du nombre de neutrons/s/sr ± incertitude

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neutron (II)

réaction (p ou d) sur cibles solides => courant limité à 6 µA

Énergie Énergie neutronneutron

(MeV)(MeV)

réactionréaction Énergie ionsÉnergie ions

(MeV)(MeV)0°0° 20°20°

0.03< En 0.03< En <0.7<0.7

77Li(p,n)Li(p,n)77BeBe 1.93< Ep 1.93< Ep <2.4<2.4

~ 3.7~ 3.7..101077 ~ 3.6~ 3.6. . 101077

0.7< En <3.00.7< En <3.0 T(p,n)T(p,n)33HeHe 1.3< Ep 1.3< Ep <4.0<4.0

~ 8.5~ 8.5..101077 ~ 6.9~ 6.9. . 101077

4.0< En <7.04.0< En <7.0 D(d,n)D(d,n)33HeHe 1.0< Ed 1.0< Ed <4.0<4.0

~ 5.0~ 5.0..101077 ~ 2.2~ 2.2.. 10 1077

15< En >20.715< En >20.7 T(d,n)T(d,n)44HeHe 0.5< Ed 0.5< Ed <4.0<4.0

~ 1.7~ 1.7..101077 ~ 1.3~ 1.3.. 10 1077

neutron/s/sr

Gamme d’énergie et Flux de neutrons

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neutron (III)

Moniteurs du flux de neutrons Compteur directionnel à BF3

Scintillateur NE213 + Photomultiplicateur + électronique pour une discrimination neutron-gamma, seuil de détection à ~ 4 MeV neutron

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Compression (I)

Nécessité d’un faisceau pulsé et d’une compression associée

x4x10

Mesure de l’énergie des neutrons par la méthode de temps de vol

Pour une pulsation à 2.5 MHz soit 400 ns de récurrence

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Compression (II)

Création d’un faisceau pulsé de 2.5 MHz

Description 2D du champ électrique:Pulsation par LissajousTANK

pulsation cavité dipôle400 ns

source

J.-G. MARMOUGET

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Compression (III)

Regroupeur HF de VdG-4MVRegroupeur HF de VdG-4MVligne Mobley – cavité déviatrice 20 ligne Mobley – cavité déviatrice 20

MHzMHz

J.-G. MARMOUGET

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Compression (IV)

Champ électrique dans la cavité Mobley

J.-G. MARMOUGET

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Compression (V)

Evolution de la duréedu pulse

Calcul d’enveloppedu faisceau de protonsde 4 MeV.

Calcul TRACEWINCalcul TRACEWIN

J.-G. MARMOUGET

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CONCLUSIONCONCLUSION 2 accélérateurs électrostatiques VdG – 4MV et VdG

tandem-7MV le gamme en énergie s’étend de 500 keV à 14 MeV pour p et d

production de champ de neutrons monocinétiques avec une gamme en énergie de 30 keV à 7 MeV et 15 à 21 MeV

Nécessité de faisceau pulsé de courte largeur temporelle ~1ns

Faisceau pulsé par Lissajous 2 modes de compression temporelle

par modulation transverse (compression MOBLEY)par modulation longitudinale (Buncher haute énergie)