La cible d’hydrogène liquide pour le projet Minos

Le cryostat de la cible Minos (à droite) dans son contexte.

Dans le cadre du programme d’étude sur les noyaux exotiques du SPhN, le SACM/LCSE a réalisé pendant cette période de 3 ans (2013-2015), deux systèmes cryogéniques répondant aux besoins en cibles d’hydrogène de grandes épaisseurs (100 et 150 mm) pour le projet Minos (financement ERC) déjà en exploitation et en cibles minces (20 et 50 μm) pour le projet Chymène (financement ANR) actuellement en développement.

 

 

Minos-Cible remplie en hydrogène liquide

Les cibles liquides du projet Minos sont utilisées dans le cadre d’une collaboration internationale (12 pays) à Riken au Japon depuis mai 2014. Quatre expériences de trois semaines chacune ont été effectuées en utilisant le dispositif Minos associé aux systèmes de détection du laboratoire d’accueil. Par sa conception, le cryostat offre l’espace nécessaire à la détection, notamment celle de la TPC (« Temporel Projection Chamber ») de Minos. Le cryostat (photo ci-dessus) permettant l’obtention de l’hydrogène liquide (photo de droite) est équipé d’un cryogénérateur commercial dont la puissance de la tête froide est de 15 W (à 20 K). Le choix du cryogénérateur (compresseur et tête froide) est motivé par la simplicité de son utilisation (besoin en eau et en courant seulement). L’absence de structure cryogénique dans le laboratoire d’accueil (pas d’hélium liquide à disposition) et de personnel spécialiste ont été deux facteurs également déterminants. Pour terminer, le faible encombrement de la tête froide est parfaitement adapté aux contraintes de la détection. Le cycle cryogénique débute par la mise en froid du système sans hydrogène en 12 heures. La phase de liquéfaction commence par le transfert de l’hydrogène gazeux depuis son stockage, à une pression absolue initiale de 1,5 bars, vers le cryostat via une baie cryogénique. L’hydrogène se liquéfie à la température de 20,4 K à la pression atmosphérique dans le condenseur d’un volume d’un litre qui est monté sur le second étage de la tête froide. Celui-ci alimente progressivement par gravité la cible en hydrogène liquide. Les vapeurs froides alors produites retournent dans le condenseur via une boucle fermée pour se liquéfier. Pour terminer l’opération, lors du réchauffage régulé en température, l’hydrogène liquide se vaporise et réintègre via les clapets anti-retour sa réserve dédiée. Par sa conception, ce système cryogénique minimise la quantité d’hydrogène mise en jeu (120°grammes NPT) et garantit la sûreté du système qui utilise un fluide détonant utilisé aux conditions cryogéniques. Plusieurs types de cibles sont disponibles suivant les caractéristiques du faisceau utilisé à Riken. La cible de géométrie cylindrique en Mylar® est constituée d’une fenêtre d’entrée (Ø 39 mm) et d’un cylindre (Ø 52 mm) de 3 longueurs différentes (60, 100 ou 150 mm). Des tests de rupture de la cible à la température de 77 K réalisés dans notre laboratoire donnent une pression de rupture de 5,9 bars par rapport à la pression maximum de 1 bar. Afin d’éviter le sur-accident en cas de rupture de la cible liquide, l’hydrogène reste confiné dans le cryostat et la pression du gaz H2 lors de sa vaporisation sur les parois à température ambiante du cryostat monte à 700 mbars absolu grâce à la connexion du cryostat à un volume tampon de 280 l. La gestion de ce type d’accident est assurée par un programme dédié à la surveillance de la cible. Le système de contrôle-commande pilote la régulation de température et le fonctionnement des différents équipements. Il prend également en charge la demande des physiciens concernant la possibilité d’une mesure en cible « vide », en fait remplie par du gaz H2 avec une densité bien moindre (rapport des densités de 106 à 18 K entre le liquide et le gaz H2). Cela permet en cours d’expérience de mesurer rapidement le rapport signal sur bruit créé par l’enveloppe en Mylar® et de vérifier l’optimisation des réglages des différents appareils de détection. Environ 15 analyses de données sont en cours. Trois nouvelles expériences supplémentaires sont programmées en 2016 et 2017.

 

 

Maj : 28/06/2017 (3344)

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