Les anciens l’avaient bien compris, les héros, tel Orion avec Sirius, ont besoin de leur fidèle compagnon. Les ingénieurs et physiciens de l’Irfu ainsi que leurs collaborateurs ne dérogent pas à la règle et viennent de terminer l’élaboration d’un Sirius moderne, élément clé du super séparateur spectromètre (S3) en cours de construction au Ganil. Les tests ayant été passés avec brio, le système a pu être déménagé au Ganil pour son installation définitive.
Dans la mythologie grecque, Sirius, le fidèle compagnon à quatre pattes d'Orion, chasseur hors pair, a été transformé en constellation et placé à ses côtés. Ce célèbre canidé a par ailleurs donné son nom à l’étoile la plus brillante du ciel nocturne. Les physiciens de l’Irfu viennent de lui rendre honneur à leur manière cette fois ci dans le monde des détecteurs.
En effet, le Sirius de l’Irfu et de ses partenaires est un instrument composé d'un ensemble de détecteurs complémentaires. Il sera situé au plan focal du spectromètre S3 du projet Spiral2 au Grand Accélérateur d’ions linéaire (Ganil) et est appelé à jouer un rôle important à l’avenir dans les expériences de physique nucléaire.
Figure 1: les différents détecteurs composants Sirius avec à gauche une photo des détecteurs silicium (Tunnel et DSSD).
Au Ganil, dans les années à venir, l’accélérateur linéaire LINAG fournira un faisceau d’ions lourds stables d’une intensité inégalée. En collisionnant ce faisceau avec des cibles au cœur du spectromètre S3, les physiciens pourront étudier des noyaux rares d’éléments parfois très exotiques ainsi que les mécanismes de réaction à faible probabilité, aux limites de la stabilité nucléaire.
L’un des objectifs principaux est d’étudier les noyaux dits superlourds (composés de plus de 102 protons et 150 neutrons) et très déficitaires en neutrons. Grâce à ces études, les physiciens espèrent enfin fournir des informations cruciales pour savoir si les éléments superlourds peuvent être produits par les étoiles (par exemple lors de la fusion d’étoiles à neutrons, phénomène récemment observé via les ondes gravitationnelles). Sur Spiral2, ces noyaux pourront être produits en grande quantité par réaction de fusion-évaporation. Sélectionnés par le spectromètre S3, ils pourront notamment être étudiés par la mesure de leurs décroissances radioactives.
Pour découvrir les secrets de ces noyaux superlourds, les physiciens de l’Irfu et leurs collaborateurs ont planché sur le projet Sirius (Spectroscopie et Identification des Isotopes Rares à l'aide de S3). Son objectif est de développer et d’exploiter un système de détection qui sera installé au plan focal de S3 et permettra de réaliser la mesure des décroissances des noyaux très exotiques (contenant plus de 102 protons) par émission de particules alpha, gamma, de protons ou d’électrons d’une part, ou par fission d’autre part, et ainsi réaliser la spectroscopie détaillée à haute résolution de ces noyaux.
Figure 2: spectre de résolution en énergie obtenu avec une source radioactive validant les caractéristiques de Sirius.
Sirius est constitué d’un détecteur silicium double face (DSSD) composé de 256 pistes réparties sur une surface de 10 cm par 10 cm (figure 3)permettant de mesurer l’implantation des ions et les particules émises par leur décroissance. Comme le montre la figure 1, ce dernier est encadré par des détecteurs dits « tunnels » qui mesureront les particules s’échappant du détecteur d’implantation (DSSD). L’ensemble est lui-même entouré des détecteurs Exogam dédiés à la spectroscopie des rayons gamma. En amont de Sirius, un détecteur spécialisé, dit à feuille émissive (Tracker), permet de mesurer la trajectoire des ions incidents ainsi que leur temps de vol.
Figure 3 : détecteur silicium double face (DSSD) composé de 256 pistes réparties sur une surface de 10 cm de 10 cm.
Figure 4 : détecteur DSSD dans l'enceinte de test électrique et cryogénique.
Sirius est le résultat d'une étroite collaboration entre plusieurs laboratoires (IPHC, Ganil, IJCLab, CEA/Irfu). Chaque pièce du détecteur a été conçue séparément, puis elles ont été envoyées à l’Irfu/DEDIP pour y être assemblées et testées (figure 4) tant au niveau mécanique qu'électronique. L'Irfu était également responsable du développement de la chaîne électronique du DSSD et du système d'acquisition, ce qui comprend le développement d'un firmware approprié. Les performances obtenues sont parfaitement conformes aux spécifications demandées par les physiciens. Un exemple de la résolution en énergie du détecteur DSSD avec son électronique associée est représentée sur la figure 2 . Un nouveau concept innovant d’électronique frontale a en particulier été développé. Il permet de mesurer finement à la fois l’énergie des grands signaux liés à l’implantation des ions dans le DSSD que ceux très faibles et pouvant être très rapprochés temporellement, associés au phénomène de décroissance. Ce nouveau dispositif sera essentiel pour étudier et découvrir de nouveaux éléments super lourds à Ganil.
Découvrez l'assemblage du détecteur Sirius à Saclay, avant son départ pour le Ganil:
Figure 5: Sirius au Ganil le 23 mars 2021 avec les équipes du CEA/Irfu
Le 23 mars 2021, après avoir vérifié le parfait fonctionnement du détecteur, nos équipes ont déménagé avec succès Sirius au Ganil (voir figure 5). Il sera par la suite installé auprès du spectromètre S3 et on l’espère promis à un avenir aussi brillant que l’étoile avec laquelle il partage son nom.
Contacts: Thomas Chaminade, Barbara Sulignano
• Détection des rayonnements › Détecteurs pour la physique des 2 infinis Structure de la matière nucléaire › Noyaux atomiques
• Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (Irfu) • Le Département d'Électronique des Détecteurs et d'Informatique pour la Physique (DEDIP) • Le Département d'Ingénierie des Systèmes (DIS) • Le Département de Physique Nucléaire (DPhN)
• Laboratoire d'intégration des systèmes électroniquesde traitement et d'acquisition (LISETA) • Laboratoire d ’électronique instrumentale (LEI) • Laboratoire d'Etudes du Noyau Atomique (LENA)
• SIRIUS
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Dernière mise à jour : 21-11-2024
