Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

Les contraintes de la chambre à réaction associées à celles de l’ensemble de détection ont imposé la géométrie du cryostat Chymène. La méthode choisie pour la production de la cible est celle de l’extrusion en continu d’un ruban d’hydrogène pâteux, solution qui répond à la demande d’un fonctionnement de 15 jours sans arrêt de l’utilisation de la cible. L’alimentation en permanence du système en hydrogène suffit à pérenniser la cible dans la chambre à réaction qui nécessite un niveau de vide de 5.10-5 mbars pour le fonctionnement de la détection. La production de ruban qui se sublime dans la chambre est équivalente à une fuite permanente de 5 mbars.l/s pour une cible de 50 μm soit une capacité de pompage de 105 l/s pour atteindre la spécification. Les équipements commerciaux proposés sont inenvisageables autant par leur coût que par leur encombrement très important. Bien que la capacité de pompage soit sous dimensionnée le taux de vide actuellement obtenu lors de nos essais est de 5.10-4 mbars pour la production d’une cible avec une buse de 20 μm (largeur 5 mm utile). Ces premiers résultats sont pris en compte actuellement par l’IPNO en charge de la conception de la chambre. Le système Chymène est constitué d’un cryostat motorisé qui permet la translation verticale pour extraire la cible de l’axe faisceau et une rotation de la cible de 100° pour dégager des angles d’analyse en cours d’expérience. Le cryostat est équipé d’une source cryogénique (tête froide) fournissant la puissance nécessaire de 15 W à 11 K pour la formation de la pâte d’hydrogène en partie basse de l’extrudeur. La buse montée à son extrémité donne la géométrie de la cible (photo ci-contre). La puissance cryogénique est transmise du 2e étage de la tête froide à l’extrudeur uniquement par conduction à travers deux métaux à très forte conduction thermique : aluminium (10 kW/m.K et cuivre (2,2 kW/m.K à 11 K). L’hydrogène liquide coule par gravité à l’intérieur de l’extrudeur et se solidifie dans la partie plus froide de l’appareil dès 14 K (5 bars absolus). La glace d’hydrogène produite est comprimée mécaniquement à 100 bars dans l’extrudeur avant l’expulsion du film d’hydrogène à travers la buse. Plusieurs buses sont étudiées couvrant une gamme de 180 μm jusqu’à 20 μm d’épaisseur. Outre l’épaisseur, elles doivent assurer la stabilité du positionnement du ruban face au faisceau. L’obtention d’une cible avec une épaisseur constante dépend d’une part de la température et de la vitesse d’écoulement de la pâte d’hydrogène. D’autre part, l’homogénéité de l’épaisseur est sensible à la conception de la buse (choix de la matière, géométrie interne et interaction pâte/ parois internes) ainsi qu’à la précision de la réalisation mécanique et à la qualité de l’assemblage. Des mesures d’épaisseur et d’homogénéité se déroulent actuellement. Nous caractérisons la cible avec une source 241Am qui délivre principalement des particules alpha de 5,485 MeV. La méthode choisie est la mesure dans un détecteur silicium de la perte d’énergie des particules α qui traversent la cible. Avec l’intensité modeste de la source disponible (comparée à celle d’un faisceau), la mesure est principalement sensible à l’épaisseur de la cible intégrée sur sa largeur dans une période de temps de l’ordre de une à deux heures suivant les conditions de collimation.

L’objectif à court terme est d’obtenir des épaisseurs constantes sur plusieurs jours de production du ruban d’hydrogène ainsi que de basculer sur la production d’un ruban de deutérium. A moyen terme, en plus de son application en physique nucléaire, le cryostat Chymène pourrait également participer aux développements de faisceaux secondaires de protons par impulsion laser sur des films d’hydrogène d’épaisseur inférieure à 10 μm.