SEASON vient de franchir une étape importante en Finlande avec son installation sur la ligne de faisceau IGISOL de l’Université de Jyväskylä et sa première prise de données réussie avec un faisceau d’ions radioactifs. Ce projet, initié en 2019 et entièrement réalisé à l’Irfu avait pour but de concevoir un détecteur pour la physique nucléaire dédié au comptage des ions et à la spectroscopie de décroissance haute résolution en énergie. Les premiers résultats obtenus à partir d’une réaction bien connue sont très encourageants. Ils valident en partie le fonctionnement du détecteur et le niveau de performance obtenue ouvre la voie à de nouveaux résultats de physique.
Les objectifs scientifiques
Le détecteur SEASON (Spectroscopy of Electron and Alpha in Silicon bOx couNter) a été conçu pour étudier la structure des noyaux lourds (c’est-à-dire les noyaux ayant un nombre de protons Z≥ 89) en utilisant une approche originale : la confrontation des observables mesurées en spectroscopie par ionisation laser (technique de physique atomique) avec les résultats obtenus par spectroscopie de décroissance (technique de physique nucléaire). SEASON permet de mesurer des propriétés fondamentales du noyau étudié, comme son rayon de charge moyen, pour en déduire sa déformation par exemple.
SEASON, un détecteur et plusieurs défis techniques
Le design mécanique, le choix des matériaux, des technologies développées pour ce détecteur entièrement conçu à l’Irfu, ont été conduits pour satisfaire deux exigences :
- L’optimisation de l’efficacité de détection (jusqu’à ~70% pour la détection des particules alpha d’après les simulations) : les noyaux lourds qui seront étudiés avec SEASON ont, en général, de faibles sections efficaces de production donc il faudrait idéalement tous pouvoir les détecter
- L’optimisation de la résolution en énergie (moins de 15 keV FWHM pour des particules alpha de 6-10 MeV) : les particules alpha et les électrons de conversion émis lors de la décroissance des noyaux peuvent avoir des énergies très proches qu’il convient de pouvoir séparer
Pour atteindre ces objectifs, SEASON a été conçu comme un détecteur compact, réglable au millimètre et entièrement sous vide dans son enceinte.
La figure ci-dessous schématise le fonctionnement de SEASON. Le détecteur est composé de deux stations de mesures appelées « principale » (en jaune) et « délocalisée » (en vert).
Les noyaux d’intérêt, préalablement séparés en masse, ou sélectionnés par laser, sont conduits sous forme de faisceau jusqu’à la station principale de SEASON pour être implantés sur une feuille de carbone d’épaisseur 90 nm, représentée en rose. C’est depuis cette feuille que les particules issues de la décroissance des noyaux piégés vont être émises.
Des détecteurs silicium (Si) segmentés à double face type DSSD (Double-sided Silicon Stripped Detector) refroidis, représentés en vert, ont été installés de chaque côté de la feuille d’implantation. Leur but est de compter les particules alpha (α) et les électrons (e-) de conversion. A noter que les quatre DSSD de la station principale placés en amont de la feuille sont assemblés en configuration tunnel pour laisser passer le faisceau.
Les rayonnements gamma, émis eux aussi lors des décroissances des noyaux, sont mesurés au niveau de chaque station par un détecteur germanium (Ge) installé sur une structure mobile connectée à l’arrière de l’enceinte par l’intermédiaire de deux gros soufflets.
Tous les détecteurs DSSD sont montés sur des structures mobiles pilotées à distance. Le but est de les positionner, par rapport aux feuilles des deux stations, à une distance variant de 2 mm* à 50 mm, laissant ainsi le choix à l’expérimentateur du compromis entre efficacité et taux de comptage des particules de décroissance.
A chaque demande de l’opérateur, la feuille d’implantation de la station principale doit être remplacée par une feuille vierge de toute contamination. Cette opération est réalisée par un mécanisme rotatif automatisé (en bleu) équipé de 11 feuilles. Ce mécanisme permet aussi de placer l’ancienne feuille de la station principale au niveau de la station délocalisée.
Enfin, SEASON est équipé d’un système d’étalonnage basé sur deux types de sources radiologiques (3alpha et Ba133) émettant respectivement des alphas de 5 à 6 MeV et des électrons de 40 à 400 keV. Chaque source est fixée sur un bras mobile permettant d’orienter la face active vers les DSSD à étalonner et de la positionner à la place de la feuille d’implantation.
* : A ce jour, cette exigence n’est pas respectée. La distance minimale réglable a été fixée à 8 mm pour des raisons de sécurité. Il s’agit d’un point encore à optimiser.
Le premier montage partiel du détecteur a eu lieu à Saclay en 2024 sans l’électronique d’acquisition et sans les sources. Il a permis de tester et valider en partie les procédures de montage et certaines fonctions de l’instrument. Le second montage s’est effectué au GANIL en 2025 dans l’environnement S3, une future salle d’expérience du Ganil, dans sa configuration quasi complète. Il a permis de corriger quelques défauts techniques, d’améliorer les procédures d’intégration et de valider le détecteur. Enfin, le troisième montage s’est déroulé à Jyväskylä de septembre 2025 à mars 2026 avec comme objectif la mise en service de SEASON sous faisceau radioactif.
L’électronique FEANICS
Afin de satisfaire les exigences relatives à la résolution en énergie, les performances de l’électronique couplée aux DSSD sont fondamentales. Cette électronique doit collecter, traiter, numériser et stocker les signaux issus des DSSD tout en minimisant le bruit. En conséquence, les DSSD ont été couplés à l’électronique de nouvelle génération FEANICS sous vide afin de limiter la dégradation du signal lors de sa propagation. Cette électronique, développée au DEDIP, consiste en un pré-amplificateur de charge avec un système de changement de gain automatique. Ceci permet d’avoir le gain le plus adapté que l’on détecte un électron de quelques dizaines de keV ou une particule alpha d’une dizaine de MeV.
Jyväskylä, mars 2026, les premiers noyaux implantés dans SEASON
L’expérience de mise en service consistait en une réaction de fusion-évaporation d’un faisceau de proton sur une cible de 232Th (Z = 90) pour produire différents isotopes dont le 225Pa (Z = 91) qui a servi de faisceau de référence pour cette première expérience. Cette réaction est bien connue et a déjà été étudiée dans le passé à IGISOL par l’équipe SEASON du DPhN, avec des dispositifs utilisant la même technologie Si que SEASON mais beaucoup moins efficaces. Cette réaction constitue donc un bon étalon pour la mise en service de SEASON. Les résultats préliminaires obtenus en ligne montrent que les performances attendues sont au rendez-vous. Ainsi, en plus de valider le fonctionnement de SEASON, de nouveaux résultats physique sur la décroissance alpha du 225Pa sont attendus.
Le chemin jusqu’à la prise de ces premières données n’a pas été sans obstacle, qu’il s’agisse d’optimiser les conditions de vide ou d’assurer la stabilité mécanique de l’ensemble par exemple, chaque difficulté a été surmontée par une équipe DIS/DEDIP aux multiples compétences et engagée. Merci à tous !
SEASON restera à IGISOL pour une campagne d’expériences dédiées à l’étude de la structure des noyaux lourds jusqu’au démarrage de S3. Puis, il ira au GANIL-SPIRAL2 et sera installé au bout de la ligne basse énergie S3-LEB.
Le projet SEASON est un projet DPhN, DIS, DEDIP. Ce projet a été financé par l’ANR ANR-20-CE31-0005.