Une cible de spallation de neutrons de troisième génération pour n_TOF

Apr 26, 2021


Les expériences à cible fixe sont nombreuses au CERN, par exemple auprès du Décélérateur d'antiprotons, d'ISOLDE ou de la Zone Nord. Ces expériences permettent de produire toute une gamme de particules secondaires grâce à l'interaction des composants de la cible avec des faisceaux de protons de haute énergie issus du complexe d'accélérateurs. Dans l'installation n_TOF (expérience sur le temps de vol des neutrons), une cible de spallation sert à produire un faisceau de neutrons. Après dix ans de service, l'ancienne cible de spallation a été retirée et une cible de troisième génération vient d'être installée, marquant ainsi l'aboutissement de quatre ans d'un développement mené à bien par le groupe Sources, cibles et interactions (STI) dans le département Systèmes d'accélérateurs (SY), qui prend en charge l'exploitation de n_TOF. 

La collaboration n_TOF (qui compte plus de 120 physiciens) s'efforce de trouver des réponses aux questions soulevées par les processus de nucléosynthèse : comment les éléments chimiques sont-ils produits, en dehors de la fusion nucléaire, au cours de  la nucléosynthèses du Big Bang et au sein des étoiles, et quel rôle jouent les neutrons dans ce phénomène ? Elle touche aussi à des questions beaucoup plus terre à terre, comme le traitement des déchets nucléaires. Les scientifiques de n_TOF utilisent un faisceau de neutrons de grande qualité produit par la collision avec les noyaux de plomb de la cible de spallation de protons de haute énergie (20 GeV/C, espacement de 7 ns) issus du Synchrotron à protons (PS). Les neutrons « arrachés » à la cible par le faisceau de protons vont entrer en collision avec des échantillons expérimentaux, après avoir été « modérés » par de l'eau et dopés par du bore enrichi. Leur temps de vol et le nombre de produits de désintégration permet de calculer la probabilité d'interaction (section efficace). On obtient ainsi des mesures inédites portant sur des isotopes de différents éléments, tels que l'osmium, le thulium et le béryllium, par exemple, ce qui permet de mieux comprendre les processus de nucléosynthèse.

L'ancienne cible de spallation, qui est un cylindre de 1,2 tonne en plomb monolithique muni d'un refroidissement par eau, a dû être retirée, après avoir été bombardée de protons à haute énergie pendant dix ans. La nouvelle cible est constituée de six blocs de plomb en U, d'un poids total de 1,5 tonne. Cette nouvelle configuration présente des avantages logistiques. En premier lieu, cela permet de refroidir le plomb au moyen d'azote gazeux à pression ambiante, au lieu d'utiliser de l'eau ; on réduit ainsi notablement la pollution du circuit en supprimant les effets d'érosion et de corrosion que produit l'eau en contact direct avec le plomb. En deuxième lieu, la nouvelle cible est surmontée d'une cuve d'eau déminéralisée, pour la « modération », qui est placée sur la trajectoire de l'un des deux faisceaux de neutrons. Cette cuve améliorera la définition des mesures du temps de vol dans la trajectoire verticale, qui est un aspect crucial de la recherche menée à n_TOF. En troisième lieu, la configuration améliore la performance de physique de l'installation.

Enfin, le blindage de la cible a été modifié, afin de permettre l'accès à la zone de la cible pour inspection et pour diverses opérations. Cette nouvelle configuration de blindage permet également d'irradier des matériaux dans un champ représentatif des systèmes d'accélérateurs du CERN, afin d'évaluer leur comportement à long terme dans le cadre du volet « irradiation de matériaux » du projet R2E. De plus, cela ouvrirait la possibilité, éventuellement, de mettre en place une station d'expérimentation située beaucoup plus près de la cible de spallation que les deux stations existantes, ce qui accroîtrait de façon significative le nombre mesurable de neutrons par pulsation. La construction de cette nouvelle station est encore à l'étude, mais, en attendant, la nouvelle cible de spallation va permettre à des équipes basées au CERN de continuer pendant au moins dix ans à mener des études de classe mondiale sur les neutrons. 

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Schéma de l'installation n_TOF. "EAR1" et "EAR2" sont les deux zones expérimentales situées aux extrémités des lignes de faisceau de neutrons. (Image: CERN)

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Pour plus de photos de l'installation, rendez-vous sur : https://cds.cern.ch/record/2759329?ln=en.


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