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Maintien d’un accès à la DNPA pour la communauté française au-delà de l’arrêt du réacteur Orphée,
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Développement d’un instrument multifonctions étendant les capacités de la DNPA, en particulier vers la spectroscopie à haute résolution.
Pour cela, SAM consistera en un instrument de DNPA à géométrie « pin-hole » permettant de travailler avec un faisceau de neutrons non-polarisé ou polarisé. Grâce à sa position à l’une des extrémités du guide H15 entièrement rénové, le flux neutronique sur l’échantillon sera très similaire à celui disponible sur les instruments de classe mondiale D22 et D33 déjà en service à l’ILL. SAM sera aussi doté d’une option « MIEZE » permettant de réaliser des mesures spectroscopiques avec des résolutions meilleures que le μeV, indépendamment de l’échantillon ou de son environnement. La mise en service de SAM aura lieu en Juin 2024. Il sera ensuite exploité comme un instrument de type « CRG », avec une répartition à 50-50 % du temps de faisceau entre le programme utilisateur de l’ILL et la communauté française [1].
Fig. 1 – Vue de l’instrument SAM dans le hall de guides ILL7 (côté Vercors).
Equipe-projet
Annie Brûlet (coordinatrice du projet)
Marc Detrez, Christophe Meunier (mécanique)
Patrick Lambert, Emmanuel Rampnoux (électronique)
Pascal Lavie (chef de projet technique)
Nicolas Martin (chef de projet scientifique)
Maycki Thiébault, Anne-Laure Remot (CAO)
Lester Clarke, Luc Didier (CAO)
(avec un soutien de l’équipe-projet H15
et des services techniques)
Motivations scientifiques
La DNPA est une technique omniprésente, dédiée à l’étude de structures « mésoscopiques » que l’on retrouve dans un grand nombre de thèmes de recherche en matière molle et condensée, biophysique et science des matériaux. La compréhension simultanée des configurations spatiales et des propriétés dynamiques de ces objets est souvent requise pour comprendre, et affiner, les fonctionnalités des matériaux. SAM permettra de les étudier sur une large gamme de paramètres expérimentaux (≈ 0.1 – 100 nm en taille et ≈ 0.1 ps – 10 ns en temps) et en les soumettant à une variété d’environnements (basses températures, champs magnétiques intenses, hautes pressions, cellules stop-flow, etc.).
Fig. 2 – Aperçu des champs de recherche couverts par SAM.
Description détaillée
Système de guides – SAM sera situé à l’extrémité de la branche dédiée H151b (section courbe de 32 m suivie d’une section droite de 4 m) du nouveau guide H15. Ses dimensions de 40 x 30 (H x V) mm avec un revêtement m = 1 (sauf à l’extérieur de la courbe où m = 1.6) ont été choisies afin de limiter les pertes aux courtes longueurs d’onde dues à la courbure du guide et à son interruption au niveau du sélecteur de vitesse. Les dimensions sont ensuite réduites à 30 x 30 mm tout le long de l’instrument (m = 1 sur toutes les faces).
Fig. 3 – Modèle 3D de SAM.
Casemate – La casemate est la première partie de l’instrument se trouvant sur le trajet des neutrons. Elle accueille les éléments permettant de monochromater et polariser le faisceau incident. La longueur d’onde moyenne sera définie par un sélecteur de vitesse hélicoïdal (3.5 ≤ λ ≤ 20 Å, Δλ/λ = 10 %) et l’intensité du faisceau monochromatique sera évaluée par une chambre à fission à l’235U de faible épaisseur (efficacité ≈ 10-6). En aval, une enceinte sous vide contient un passeur linéaire permettant d’insérer dans le faisceau soit une cavité polarisante en « double-V » (lames FeSi, m = 4) d’1.37 m, soit un élément de guide non polarisant (m = 1). Afin de réduire le nombre de fenêtres, cette enceinte est connectée au collimateur par un tube non magnétique et forme avec lui un volume unique sous vide. Ce tube sert également du support pour un flipper radiofréquence, permettant de choisir l’état de polarisation du faisceau sans interposer de matériau sur son trajet. Les éléments ci-dessus sont situés dans une casemate en acier dont l’épaisseur permet de respecter les normes de radioprotection en vigueur à l’ILL.
Fig. 4 – (a) Casemate de l’instrument SAM. (b) Passeur linéaire polariseur/guide. (c) Flipper RF et champ de guide vertical. Ils sont installés autour de tubes sous vide connectant l’enceinte polariseur et le collimateur.
Collimateur – La casemate est suivie d’un collimateur de 9 m de long, installé sur un châssis monobloc au moyen de pieds de découplage mécanique. Ce système permet de garantir l’alignement des guides de neutrons malgré de légères modifications de la géométrie de l’enceinte lors des changements de sa pression interne. Le collimateur contient un passeur d’atténuateurs linéaire (« passoires » en 10B4C fritté et Gd à densité de trous variable) et une série de 3 diaphragmes à ouverture ajustable. Ces derniers sont équipés de 4 lames indépendantes en 10B4C fritté, permettant d’ajuster de manière continue la forme et la taille du faisceau. Ces diaphragmes sont séparés par des éléments de guide non polarisants (m = 1) de longueur 2 x 2 et 2.5 m, respectivement. Les éléments ci-dessus ont été pensés pour être aussi faiblement magnétiques que possible, étant donné que le collimateur sera plongé dans un champ de guidage homogène (≈ 15 Oe) produit par des bandes d’élastomère aimantées. Un nez télescopique (longueur = 1 +/- 0.5 m), situé à l’extrémité de l’enceinte collimateur, a pour fonction de régler la longueur de collimation effective ainsi que l’espace dévolu à l’environnement-échantillon.
Fig. 5 – Collimateur de l’instrument SAM.
Environnement-échantillon – SAM dispose d’une table pouvant supporter des éléments massifs (jusqu’à 800 kg) et dotée de 6 mouvements indépendants (translations et rotations autour des 3 directions). Son équipement dédié inclut un passeur d’échantillon thermostaté à 24 positions et un cryo-aimant à champ horizontal de 10 T.
Fig. 6 – Table échantillon de l’instrument SAM. Un système de pivot (en gris) permet de d’incliner l’enceinte détecteur par rapport à son centre de rotation.
Enceinte de détection – SAM dispose d’un détecteur bidimensionnel à 3He (ILL MAM128) présentant une surface active de 64 x 64 cm2 (128 x 128 pixels). Ce détecteur est installé dans l’enceinte détecteur entièrement rénovée de l’ex-instrument PAXY (LLB). Ses dimensions permettent d’accéder à des distances échantillon-détecteur de ≈ 1 à 7 m. L’enceinte en elle-même est attachée à la table échantillon et pourra être inclinée par rapport à l’axe optique de l’instrument pour augmenter la gamme de Q accessible.
Option « MIEZE » – MIEZE est une méthode dérivée de la spectroscopie à écho de spin neutronique (NSE) [3]. Elle utilise une paire de flippers RF pour produire une modulation temporelle de la polarisation du faisceau incident. L’insertion d’un analyseur de spin entre le second flipper et l’échantillon permet de convertir cette modulation de polarisation en modulation d’intensité, avec des fréquences pouvant atteindre quelques MHz. Cette technique permet de sonder la dynamique nucléaire ou magnétique avec une haute résolution en énergie (< μeV) ou de réaliser des mesures stroboscopiques sur une échelle de temps allant de la μs à la s. Comparativement au NSE, MIEZE n’est pas sensible à la dépolarisation du faisceau par l’échantillon ou son environnement [4]. Cela ouvre donc de nouvelles perspectives en spectroscopie neutronique, en particulier dans le domaine du magnétisme [5]. Par ailleurs, MIEZE fonctionne de façon optimale dans le régime des petits angles, ce qui en fait donc une option très intéressante pour SAM [6]. Afin de mesurer le signal modulé, un second détecteur (une « tuile SoNDe » [7] de 10 x 10 cm) sera placée dans l’enceinte et il sera possible de le déplacer dans le plan transverse au faisceau de neutron pour atteindre la position en Q désirée.
Performances attendues
Flux neutronique – Des simulations de type « ray-tracing » (suite McStas) du système de guide complet (i.e., de la source froide à la position échantillon de SAM) ont été réalisées afin d’optimiser les paramètres de la branche H151b (courbée vers la droite sur 32 m avec un rayon de 1500 m). Elles ont conduit au choix d’un profil rectangulaire (H 40 x V 30 mm) avec un revêtement m = 1 (en haut, en bas et à droite) et m = 1.6 (à gauche). Ces simulations suggèrent que SAM présentera des performances comparables au instruments D22 et D33 en terme de flux neutronique à la position échantillon.
Fig. 7 – (gauche) Simulations McStas de la dépendance en longueur d’onde λ du flux monochromatique incident sur l’échantillon en fonction de la résolution angulaire effective Δθ = D1/2L1, où D1 est la taille de la source et L1 la longueur de collimation. (droite) Flux monochromatique incident sur l’échantillon à λ = 6 Å obtenues par simulation (SAM) et mesure (D22 and D33, voir [2]). La ligne rose épaisse est une mise à l’échelle du flux simulé pour SAM (réduction de 40 %), pour tenir compte des surfaces et alignement imparfaits des miroirs composant les guides d’H15 et le branche H151b.
Taux de polarisation du faisceau – Les paramètres de la cavité polarisante en « double V » ont également été affinées par simulations McStas dans le but d’optimiser ses performances dans la gamme de longueurs d’onde allant de 4 à 12 Å. En particulier, nous attendons un taux de polarisation meilleur que 97 % (rapport de flipping > 65) avec des transmissions allant de 25 à 40 %.
Références
[1] Accès géré par la Fédération Frnçaise de Diffusion Neutronique (2FDN)
[2] C. Dewhurst et al., J. Appl. Cryst. 49, 125110 (2016)
[3] R. Gähler et al., Neutron resonance spin echo-a new tool for high resolution spectroscopy, Physica B 180 & 181 (1992) 899-902
[4] J. Kindervater et al., EPJ Web of Conferences 83 (2015) 03008
[5] C. Franz et al., J. Phys. Soc. Japan 88, 081002 (2019)
[6] N. Martin, Nucl. Inst. Meth. In Phys. Res. A 882 (2018) 11-16
