20 janvier 2009
AGATA, nouveaux développements des services d'ingénierie de l'Irfu
AGATA, nouveaux développements des services d'ingénierie de l'Irfu

Capsule d'AGATA

AGATA (Advanced Gamma Tracking Array) est un instrument de nouvelle génération pour l'étude des noyaux par spectroscopie gamma. Ce spectromètre se composera de 180 détecteurs de germanium de très grande pureté. La collaboration AGATA rassemble environ 40 instituts européens. L'Irfu y joue un rôle clef dans la définition des programmes de physique, la construction du spectromètre et de l'électronique associée. Les services d'instrumentation de l'Irfu ont proposé pour ce projet une solution innovante pour le refroidissement des détecteurs et ont développé des modules de basse et de haute tension. Une chaîne de validation des détecteurs a été mise en place au sein de l'Irfu.  D'importants jalons de ces développements ont été validés ces derniers mois.

 

Capsule d'AGATA

Le projet Agata

 

Avec ses 180 cristaux de germanium de haute pureté, le spectromètre AGATA sera dans la prochaine décennie l’un des instruments les plus performants pour l’étude de la structure des noyaux atomiques. Il est basé sur un nouveau concept permettant de traquer les interactions d’un rayon gamma dans le germanium (gamma-ray tracking) afin de connaître sa position et son énergie initiales. Chaque cristal, refroidi à la température de l’azote liquide, divisé en 36 segments et une électrode centrale, est relié à une électronique digitale.

 

Grâce à l’analyse des formes d’impulsions de chaque segment, la position des interactions du photon gamma, d’énergie de l’ordre du MeV, dans le cristal sera identifiée avec une précision inférieure à 5 mm. La reconstruction précise de la trajectoire des photons améliorera grandement l’efficacité de détection. Les spectres en énergie seront aussi de meilleure qualité, permettant l’étude de phénomènes rares, impossible avec les spectromètres d’aujourd’hui, EXOGAM (GANIL1) ou RISING (GSI2). Ce sera donc un instrument incontournable pour les études de structure nucléaire des noyaux exotiques, notamment avec les faisceaux radioactifs produits par les nouvelles installations SPIRAL2 et FAIR. Il s’agit d’un instrument « nomade », qui sera exploité dans plusieurs laboratoires européens (LNL3, GANIL et GSI). Le projet est dans une phase de démonstration visant la réalisation d’un ensemble de détection composé de 5 triplets de germanium, regroupant chacun trois cristaux. Deux triplets sont en test au LNL, premier site choisi pour accueillir le démonstrateur qui entrera en service en septembre 2009.

 

L'Irfu est un partenaire majeur de cette collaboration. Les physiciens du SPhN4 ont participé à la définition du programme scientifique du projet et sont impliqués dans son pilotage. Différents services techniques de l'Irfu (SEDI5, SIS6, SACM7) apportent une contribution essentielle au projet.

 

 Les défis techniques

 

 

 

Un site d’intégration des détecteurs Agata a été créé au sein de l’Irfu. Il a été récemment habilité par la collaboration AGATA pour valider les futurs cristaux de germanium. L’IKP8 de l’université de Cologne, en Allemagne, jouissant d’une forte expérience dans la manipulation des détecteurs germanium, était, jusqu’à présent, le seul laboratoire impliqué dans cette tâche. La création de ce site reflète l’implication forte de l’Irfu dans ce projet et dans la prochaine phase de construction d’AGATA.

 

Pour la collaboration AGATA, ce site permet d’assurer les tests de détecteurs indispensables et la diffusion d’un savoir faire spécifique. La mise en place du laboratoire AGATA au SEDI a demandé environ 2 ans avec une formation des personnels à la manipulation de ces cristaux et des cryostats à Cologne. Ce laboratoire est constitué d’un système de mesure analogique de la résolution en énergie des détecteurs, d’un système d’acquisition numérique de 37 voies, conçu par l’IPHC9 de Strasbourg pour la mesure de diaphonie, et d’un système de refroidissement automatique à l’azote liquide conçu par le SIS, responsable du contrôle-commande. Il a été validé en utilisant un cryostat équipé d’un cristal de référence début 2008. Ce travail a été récompensé par la première validation d’un cristal de germanium en décembre 2008.

 
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Mise en place du module Haute Tension sur un détecteur germanium d’AGATA à l’université de Cologne

Le SIS participe également de façon active à l’étude et la réalisation des alimentations de basse et de haute tension. Les modules de haute tension ont fait l’objet d’un développement spécifique dans la mesure où la tension de polarisation des cristaux (environ 5000 V) est réalisée sur le détecteur lui-même (voir figure 2). Des tests réalisés en octobre 2008 sur un triplet ont permis de valider l’électronique développée au Laboratoire d’électronique instrumentale du SIS ainsi que l’informatique embarquée dans chaque module. Concernant les châssis de basse tension, un prototype a été produit cette année et testé au mois d’octobre 2008 au LNL. Les trois premiers châssis seront livrés début 2009. Une R&D de cryogénie réalisée au SIS et au SACM offre une solution alternative pour le remplissage individuel des cryostats de chaque triplet, comportant trois cristaux, qui peuvent perturber légèrement la qualité des signaux par microphonie. Ces deux services ont développé, en collaboration avec l’IPN d’Orsay10, une boucle d’hélium gazeux à la température de l’azote liquide destinée à refroidir les détecteurs, ainsi qu’un système (shunt thermique) permettant de déconnecter à froid chaque triplet (voir figure 1). Ce système a été testé à Saclay au mois d’août 2008 et devrait être intégré sur la boucle d’hélium de l’IPN début 2009.

 
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Figure 3: vue du spectromètre Agata

Une R&D de cryogénie réalisée au SIS et au SACM offre une solution alternative pour le remplissage individuel des cryostats de chaque triplet, comportant trois cristaux, qui peuvent perturber légèrement la qualité des signaux par microphonie. Ces deux services ont développé, en collaboration avec l’IPN d’Orsay10, une boucle d’hélium gazeux à la température de l’azote liquide destinée à refroidir les détecteurs, ainsi qu’un système (shunt thermique) permettant de déconnecter à froid chaque triplet (voir figure 1). Ce système a été testé à Saclay au mois d’août 2008 et devrait être intégré sur la boucle d’hélium de l’IPN début 2009.

 

Les prochaines étapes

 

 

Dans un avenir proche, l’Irfu souhaite réaliser le montage des triplets en collaboration avec le fournisseur des cryostats (CTT) et l’IKP. Ce montage consiste en l’intégration de 3 cristaux de germanium déjà validés sur un cryostat triple. La maitrise de cet assemblage est nécessaire pour la validation du cryostat et du triplet, la mesure des résolutions en énergie des 36 segments de chaque cristal et de la voie centrale, ainsi que la mesure de diaphonie entre les segments. AGATA se composera d’un ensemble de 180 détecteurs groupés en 60 triplets à l’horizon 2016 (voir figure 3).

 

La signature d’un nouveau protocole d’accord (Memorandum of Understanding) par les partenaires de la collaboration constitue une première étape pour la réalisation d’un tiers du spectromètre d’ici 2012.

 

 

Christian VEYSSIERE

Julien PANCIN

Alexandre OBERTELLI

 

 

 
  1. Grand Accélerateur National d'Ions Lourds, France.
  2. Gesellschaft für schwerionenenforschung, Allemagne.
  3. Laboratorio Nazionale di Legnaro, Italie.
  4. Le Service de Physique Nucléaire (CEA Irfu).
  5. Le service d'Electronique des Détecteurs et d'Informatique  (CEA Irfu).
  6. Le service d'Ingénierie des Systèmes (CEA Irfu).
  7. Le service des Accélérateurs, de la Cryogénie et du Magnétisme (CEA Irfu).
  8. Institut für Kernphysik, Cologne, Allemagne.
  9. Institut Pluridisciplinaire Hubert Curien, Strasbourg (IN2P3-CNRS).
  10. Institut de Physique nucléaire, Orsay (IN2P3-CNRS). 

 

Maj : 19/01/2009 (2555)

 

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