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DRS | Recherche au DRS » Hadrons et noyaux » DNE » Projets et systèmes de détections » SPIRAL 2 » Le projet S3 : Super Spectromètre Séparateur
Dernière mise à jour : mardi 6 mai 2014, par
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.
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 :
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
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.
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.
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 :
S3
SIRIUS
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 :
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.