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Le projet S3 : Super Spectromètre Séparateur

Dernière mise à jour : mardi 6 mai 2014, par Fabien Déchery

Un important travail de R&D a permis de développer des solutions novatrices avec :

  • Marie-Hélène Sigward pour son expertise en micro-électronique et micro-connectique, rendant notamment possible le choix novateur de supports céramiques sérigraphiés en remplacement des supports classiques de type PCB ;
  • Marc Richer pour son expertise des systèmes d’acquisition avec TUC, indispensable dans le cadre du test des détecteurs silicium. Avec l’implication d’Olivier Dorvaux pour ses connaissances en traitement de données ;
  • Hugo Faure pour ses simulations du système de détection permettant d’optimiser l’efficacité et la résolution des détecteurs, ainsi que l’étude de la réponse électronique des détecteurs silicium en vue d’une possible discrimination alpha/électron ;
  • Valeria Zeter pour son expertise en projections 3D permettant une constante redéfinition des éléments pour une intégration optimale ;
  • Gérard Gaudiot pour son expertise mécanique permettant la concrétisation des pièces de l’infrastructure SIRIUS et des maquettes ;
  • Michel Filliger pour l’assistance technique qu’il fournit à chaque étape du projet.

Le projet S3 est avant tout la concrétisation des efforts d’une collaboration internationale, réunie autour d’une ambition physique, à travers des propositions d’expériences et le développement de solutions technologiques innovantes. Cette collaboration rassemble 6 partenaires principaux : GANIL, CNRS/IPHC, CNRS/IPNO, CNRS/CSNSM, CEA/Irfu, et CNRS/INSP.

Équipement de dernière génération pour la physique nucléaire, il a été sélectionné dès le premier appel "EQUIPEX" - Équipement d’Excellence - pour bénéficier d’un financement de 8M€, incluant 7M€ pour l’infrastructure et 1M€ pour les frais de fonctionnement entre 2015 et 2019.

Programmes de recherche et lettres d’intentions S3

S3 est conçu pour utiliser pleinement les faisceaux stables d’ions lourds de très hautes intensités fournies par l’accélérateur linéaire supraconducteur de SPIRAL2. Fort de ces intensités, le projet ouvre de nouvelles opportunités pour l’étude des noyaux rares caractérisés par de très faibles sections efficaces de production - noyaux superlourds ou exotiques car loin de la vallée de stabilité - mais aussi pour l’étude des mécanismes de réactions. Ces programmes de physique ont pour point commun la nécessité d’une séparation d’événements très rares parmi un fond largement dominant. On présente les grandes lignes de ces programmes :

  • La production par réaction de fusion évaporation d’éléments super-lourds (Z>104) et la spectroscopie des isotopes rares très-lourds avec notamment l’étude des propriétés de l’état fondamental et des états isomériques. Des études détaillées de spectroscopie de décroissance et de mesure de masse devront aussi être possibles pour les éléments ayant une section efficace de production et un temps de vie suffisant ;
  • La spectroscopie de noyaux déficients en neutrons (protons) proches de la drip-line protons (neutrons) ;
  • L’étude des mécanismes de transfert multiples de nucléons pour la production de noyaux riches en neutrons impossible à produire par fission d’uranium ;
  • L’étude des réactions profondément inélastiques ;
  • Les interactions atomiques ion-ion ;

On dénombre 17 programmes de recherche qui s’incarnent à travers la soumission de 12 Lettres d’Intentions signées par 156 physiciens. A l’issu de la phase de comissionning de S3, il est prévu entre 16 et 31 semaines de faisceaux par an pour mener à bien ces programmes. On trouvera la documentation associée aux cas physiques de SPIRAL2 et les 12 lettres d’intentions soumises pour S3 sur le site du GANIL

Les spécifications

L’ambition du projet S3 est de mener une physique de premier plan en dépassant les performances, en terme d’efficacité et de selectivité des instruments existants pour les expériences de synthèse et de spectroscopie d’évènements rares, qu’ils soient superlourds ou exotiques. Les très faibles sections efficaces propres à ce domaine d’étude nécessitent des faisceaux de très grandes intensités tels que ceux qui pourront être délivrés par le LINAG de SPIRAL2 allant jusqu’à 10^14 part/s. S3 a été conçu pour allier un achromat en moment de haute acceptance à un spectromètre de masse de haute résolution pour une sélectivité atteignant 10^13. La sélection des états de charges les plus peuplés devra permettre d’assurer une transmission de 50% des noyaux d’intérêts produits. La synthèse des noyaux rares par fusion évaporation est souvent en concurrence avec différentes voies parasites et la sélection des noyaux d’intérêt implique de pouvoir effectuer une identification de la masse en séparant géométriquement des isotopes dans un plan focal dispersif en m/q. L’objectif de S3 est permettre de séparer des noyaux de masses voisines allant jusqu’à A 300 en rendant possible une sélection des noyaux de masse donnée ainsi qu’une élimination physique des contaminants.

Structure optique du super spectromètre séparateur S3

Le Super Spectromètre Séparateur doit permettre la sélection d’évènements rares, parmi un ensemble de produits de réactions formés au point cible, et leur transport jusqu’à un point focal final équipé d’un système de détection. Pour remplir cette fonction de sélection, S3 est conçu en deux étages : un achromat en moment permettant une grande sélectivité et la réjection du faisceau primaire, puis un spectromètre de masse permettant une sélection physique supplémentaire. Les ions transmis sont finalement implantés dans le système de détection situé au plan focal final.

On présente sur la figure l’intégration du spectromètre S3 dans la salle expérimentale, illustrée par l’ensemble des éléments clés : station cible, triplet de multipôles, salle d’arrêt faisceau, et les deux systèmes de détection du plan focal final, soit la station d’implantation et de décroissance SIRIUS, et la branche basse énergie.

La station d’implantation et de décroissance SIRIUS

SIRIUS - Spectroscopy and Identification of Rare Isotopes Using S3 - est le système de détection standard du spectromètre S3. Il est prévu pour rendre possible une spectroscopie de type "retardée". Après avoir été transportés dans l’ensemble du spectromètre S3, les noyaux d’intérêts transmis vont rencontrer plusieurs détecteurs : d’abord 1 ou 2 détecteurs à électrons secondaires (Se-D), situés autour du plan focal et permettant une mesure des trajectoires et des temps de vol, puis un détecteur d’implantation silicium pixellisé comprenant un détecteur véto. Ce détecteur d’implantation est entouré de détecteurs silicium tunnels et d’une couronne de détecteurs germanium selon une configuration standard illustrée ci dessous.

SIRIUS fait l’objet d’une demande de financement ANR associée, porté par le CEA/IRFU. L’IPHC est co-porteur de cette ANR et met son savoir faire au service de la collaboration en prenant en charge la direction de plusieurs groupes de travail :

  • La construction et les tests de l’assemblage complet des détecteurs silicium de SIRIUS. Ce lot inclut le test et la caractérisation des détecteurs tunnels et veto, ainsi que la conception et la construction de l’infrastructure mécanique de la chambre intégrant l’ensemble des détecteurs DSSD, Tunnels et Veto.
  • L’intégration de SIRIUS dans l’environnement S3 et la définition détaillée de la géométrie des détecteurs du plan focal.

Documentation associée

S3

SIRIUS

Caractérisation du plan focal pour S3

Le Super Spectromètre Séparateur (S3) sera un des instruments clés du projet SPIRAL 2 au GANIL. Il tirera un plein avantage des faisceaux stables de hautes intensités (jusqu’à 1013 particules/s) du nouveau Linac supraconducteur pour produire, séparer et mesurer des noyaux exotiques produits par fusion-évaporation. Les principales expériences consisteront en l’identification d’éléments super-lourds (SHE), et la spectroscopie d’éléments très lourds (VHE) ou de noyaux N=Z (jusqu’au 100Sn). Il sera aussi possible de réaliser des expériences à la frontière avec la Physique Atomique, en étudiant les échanges de charge sur des faisceaux légers. Pour pouvoir réaliser ce programme ambitieux, le spectromètre a été conçu en deux étages, chaque étage ayant des fonctions précises. Le premier étage de S3 (Momentum Achromat, MA) permet la rejection du faisceau primaire grâce à la combinaison d’un arrêt faisceau haute puissance et de doigts d’arrêt. Le deuxième étage de S3 (Mass Separator, MS) permet d’obtenir la résolution en masse nécessaire pour observer les noyaux les plus lourds de masse atomique ≥ 300, et ce pour les différents états de charge produits. Pour certaines expériences, on fera converger les différents états de charge du noyau d’intérêt et les arrêter dans une « gas cell » pour une purification et post-accélération vers d’autres aires expérimentales. Différent modes optiques sont développés à l’IPHC au sein du groupe Transport de faisceau pour atteindre ces objectifs :

  • Le mode haute résolution : obtient un pouvoir de séparation en masse d’au moins 300
  • Le mode haute acceptance : augmente l’acceptance angulaire du spectromètre de 50 mrad à 70 mrad, au prix d’une résolution en masse inférieure
  • Le mode haute rejection : maximise la rejection du faisceau primaire en minimisant la taille dans le premier étage de S3
  • Le mode convergent : le faisceau converge en sortie dans un rayon donné (la fenêtre d’ouverture d’une « gas cell »), le pouvoir de résolution en masse est négligeable

Tous les modes optiques demandent une optimisation des propriétés du faisceau au plan focal final de S3, celle-ci est réalisée avec le code de tracking TraceWin. Ce code permet aussi l’implémentation de distributions de champs des éléments électromagnétiques, et l’utilisation simultanée de plusieurs états de charge du faisceau à optimiser.

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Distribution d’un faisceau de 100Sn et de ses deux isotopes voisins pour 5 états de charge au plan focal final de S3

Pour en savoir plus…

Voir : Le projet S3 : Super Spectromètre Séparateur