Le projet CHyMENE (Cible d'Hydrogène Mince pour l'Etude des Noyaux Exotiques) s’inscrit dans le cadre de l'instrumentation nécessaire à l'exploitation des faisceaux de basse énergie incidente (5 à ~25 MeV/n), comme SPIRAL2. Il s’agit de développer une cible cryogénique d’hydrogène pur (H2 ou D2), dont les caractéristiques seront adaptées aux conditions des futures expériences de réactions directes.
Porté par l’IRFU, - le DPhN et le DACM-, le projet associe trois laboratoires, l’IRFU, l'IPN Orsay et le SPN du CEA-DAM/DIF. Il est financé par l’Agence Nationale de la Recherche.
Les expériences de physique nucléaire sur cible d’hydrogène utilisent le plus souvent des cibles de polypropylène (CH2)n pour leur simplicité de mise en œuvre alors que les cibles d’hydrogène pur seraient mieux adaptées aux mesures voulues. En l’absence d’ion carbone, les cibles H2 permettent d’augmenter la luminosité, tout en réduisant le straggling des produits de réaction à l’intérieur de la cible. De plus, les ions carbone présents dans les cibles (CH2)n sont également à l’origine de réactions nucléaires parasites qui créent des contaminations des quantités mesurées. Il faut alors soustraire ces contaminations en effectuant des mesures complémentaires sur cible de 12C, au prix d’une perte de temps de faisceau. Le projet CHyMENE propose la réalisation d’une cible cryogénique, dont les caractéristiques seront adaptées aux conditions des futures expériences de réactions directes. Il s'agira d’une cible pure d'hydrogène solide H2 sans fenêtre qui s'écoulera sous la forme d'un ruban devant le faisceau dans le vide d'une chambre à réaction. Pour utiliser cette cible avec des faisceaux d'ions lourds de basse énergie, son épaisseur est une contrainte très importante. Elle est fixée par la forme de la buse d’extrusion et peut varier dans une gamme comprise actuellement entre 20 et 100 µm.
Nous envisageons actuellement d’étudier avec le dispositif CHyMENE l’interaction d’un faisceau laser de grande puissance avec une cible d’hydrogène, en vue de produire un faisceau de protons. Alors que plusieurs installations seront très prochainement opérationnelles en Europe avec des taux de répétition croissant, la cible détruite à chaque interaction et la pollution de l’installation par les débris devient un problème majeur auquel un dispositif de type CHyMENE peut apporter des solutions.
Le procédé retenu pour le dispositif CHyMENE est une technique d'extrusion, développée par le laboratoire PELIN à Saint-Pétersbourg. Le gaz d'hydrogène pur est introduit à température ambiante et refroidi au voisinage du point triple.
Ce volume d’hydrogène dans un état amorphe est comprimé par une vis sans fin et poussé vers une buse d'extrusion. A la sortie de la buse dans le vide, l’hydrogène est dans un état solide transparent. La forme de la buse définit les caractéristiques géométriques de la cible. Cette technologie doit être adaptée pour fournir une cible mince homogène (épaisseur de 200 à 50 µm) compatible avec les conditions d'utilisation sous vide et sous faisceau.
Depuis le premier test réalisé en juin 2007 à Saint-Pétersbourg (production stable d'une cible d'épaisseur 200 µm), la méthode a été validée avec la production de cibles de plus en plus minces.
Lors d'une première campagne de tests réalisés de novembre 2009 à avril 2010, un point de fonctionnement pour la production du film de H2 a été obtenu, permettant l'écoulement d'un ruban d'épaisseur 100 µm.
L’étude de la cible (épaisseur et homogénéité) a été effectuée au département DAM/DIF du CEA de Bruyères-le-Châtel sous un faisceau de protons.
Les résultats des tests ont été publiés dans la revue European Physical Journal A en 2013.
Schéma de principe du dispositif CHyMENE. Vue du mécanisme d’extrusion de la cible cryogénique.
Ruban d'H2 extrudé avec une buse d'épaisseur 20 µm et de largeur 5 mm.
Un nouveau dispositif propre à la collaboration a été construit en 2013 et testé avec une source radioactive. Des tests sous faisceau sont prévus à partir de 2018.
Le principe de fonctionnement a été entièrement validé. Un travail important de R&D est poursuivi concernant la définition et la réalisation des buses d’extrusion qui doivent garantir simultanément une bonne conductivité thermique et la résistance mécanique à l’écoulement du ruban d’hydrogène dans une gamme micrométrique.
Le dispositif CHyMENE a été développé jusqu’à présent comme une cible d’hydrogène H2. Nous allons prochainement tester le fonctionnement avec du gaz deutérium D2 qui présente des propriétés thermodynamiques proches de H2.
Contacts :
SACM Jean-Marc GHELLER
SPhN Alain GILLIBERT et Emmanuel POLLACCO
• Structure de la matière nucléaire
• Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (Irfu) • Le Département de Physique Nucléaire (DPhN) • Le Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme (DACM)
• Laboratoire d'Etudes du Noyau Atomique (LENA) • Laboratoire de cryogénie et des stations d’essais (LCSE)
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Dernière mise à jour : Nov 19th, 2024
