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Bilan de la R&D sur le calorimètre

Pour atteindre une sensibilité sur la période ββ(0ν) 100 fois meilleure que celle obtenue avec NEMO3, l’un des enjeux de la R&D SuperNEMO a été d’améliorer la résolution en énergie du calorimètre. L’objectif était de développer un calorimètre à électrons basé sur des compteurs à scintillation dont la résolution en énergie (FWHM) pour des électrons de 1 MeV est meilleure que 8%. Ce calorimètre doit également répondre aux exigences de radiopureté de l’expérience et tenir compte de la taille du projet en veillant à minimiser le nombre de voies. Il doit aussi satisfaire des critères de résolution en temps identiques à ceux de NEMO3 (σ 250ps entre deux compteurs) et une linéarité meilleure que le pourcent jusqu’à 4 MeV.

Afin de travailler avec des matériaux très faiblement radioactifs et n’entrainant que peu de rétrodiffusion des électrons, la collaboration a choisi d’utiliser des scintillateurs organiques couplés à des photomultiplicateurs. Le travail de R&D sur la résolution en énergie a donc consisté d’une part à l’étude de scintillateurs et d’autre part au développement de photomultiplicateurs de grandes tailles (8 pouces). Le groupe a la responsabilité scientifique du calorimètre et travaille en lien permanent avec les autres groupes de travail de la collaboration notamment ceux sur les faibles radioactivités, la mécanique, l’électronique et la simulation.

Bancs de tests

Pour qualifier les compteurs à scintillation du point de vue de la résolution en énergie, de leur linéarité et homogénéité en fonction du point d’entrée des électrons, le groupe a développé, avec l’aide des différents services techniques du CENBG, deux spectromètres à électrons entièrement automatisés. L’un des bancs permet l’étude de compteurs de dimensions inférieures à 50x50x50 cm 3 , l’autre banc a été conçu pour tester des scintillateurs plus longs (jusqu’à 2 m) ou une série de scintillateurs.

Ces spectromètres sont constitués d’une source de 90 Sr placée dans un champ magnétique variable permettant de sélectionner des électrons compris entre 0,4 MeV et 2 MeV. L’originalité de ces spectromètres est d’offrir une résolution en énergie FWHM de l’ordre du pourcent. De plus, le faisceau d’électrons a une section inférieure à 1 cm 2 et peut être déplacé sur la face d’entrée du scintillateur avec une précision de 0,5 mm. Un scintillateur plastique très mince (100 μm) couplé à deux PM permet de détecter le passage des électrons (contrairement aux rayons gamma) et donc de réaliser des mesures en coïncidence, sans bruit de fond lié aux rayonnements gamma (ambiants et produits par la source). Les déplacements du faisceau, l’énergie des électrons, le réglage de la tension des PM sont entièrement automatisés et pilotables à distance.

Aujourd’hui, ces spectromètres servent de bancs de référence à la collaboration pour caractériser les compteurs étudiés et vont être utilisés pour la qualification des modules optiques (scintillateurs et photomultiplicateurs) lors de la construction du calorimètre.

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Spectromètre à électrons (en arrière-plan) et ensemble de scintillement et PM5" et 8" à qualifier (au premier plan).

Développement d’un module optique pour SuperNEMO

Le module optique de SuperNEMO correspond à l’ensemble formé par un scintillateur plastique couplé à un photomultiplicateur. Le démonstrateur de SuperNEMO contiendra 520 modules optiques répartis sur deux murs.

  • Étude des scintillateurs organiques

De nombreuses mesures ont été réalisées pour qualifier la résolution en énergie de scintillateurs de composition, géométrie et production différentes. Les études sur les scintillateurs plastiques ont permis d’étudier différentes compositions de scintillateurs à base de polystyrène (PS) ou à base de polyvinyltoluène (PVT) produits par différentes sociétés. Des simulations optiques réalisées dans le cadre de la thèse de Emmanuel Chauveau ont permis de confronter les résultats des mesures aux prévisions de simulation [Argy11][Chau10]. Ce travail a permis de qualifier différentes géométries de blocs et de choisir les matériaux entourant le scintillateur ainsi que les états de surfaces du scintillateur pour optimiser la collection de lumière.

  • Amélioration des performances des PM 8 pouces Hamamatsu

Une collaboration étroite entre le CENBG et Photonis, avait débuté en 2005 jusqu’en 2009 (fermeture de la ligne de production de PM par l’entreprise) et avait permis le développement de nouveaux PM 8 pouces (référencés XP1886) adaptés à nos spécifications du point de vue de la résolution en énergie et de la radiopureté. Ces développements ont fait l’objet des travaux de thèse d’Emmanuel Chauveau [Chau10] dont la bourse de thèse BDI était en partie financée par Photonis. De nombreux PM prototypes ont ainsi été produits par Photonis et testés sur les bancs de test du CENBG. L’arrêt de Photonis nous a amené à reprendre tous ces développements avec Hamamatsu dont les PM offraient jusque- là des performances un peu moins bonnes. Pendant ces trois dernières années, plusieurs prototypes ont été produits par Hamamatsu, en collaboration avec le groupe du CENBG. Dernièrement, après un important travail sur l’uniformité des photocathodes et la répartition des hautes tensions entre les dynodes, les PM produits ont donné des résultats comparables à ceux de Photonis.

L’objectif de la R&D (FWHM < 8%) a ainsi pu être atteint au CENBG avec des blocs de scintillateurs cubiques de PVT (EJ204) de dimension 256 x 256 x 190 mm 3 , entourés de Téflon sur les côtés et de mylar aluminisé sur la face avant et couplés à ces nouveaux photomultiplicateurs Hamamatsu de taille 8 pouces. La résolution ainsi mesurée avec des électrons de 1 MeV est de 7,3±0,2% (FWHM) et suit une loi en 1/√E.

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Distribution de la charge déposée par un électron de 1 MeV dans un scintillateur PVT couplé à un PM 8 pouces

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Dépendance de la résolution (FWHM) en fonction de l’énergie des électrons incidents.

  • Nouvelle formulation d’un verre « très basse radioactivité »

En parallèle à ces développements de nouveaux PM, une sélection de matériaux radiopurs entrant dans la composition du verre des PM a été effectuée au CENBG en partenariat tout d’abord avec la société Primeverre (Montpellier) puis avec Philips (Eindhoven). L’objectif était de mettre au point une nouvelle formulation de verres dix fois moins radioactifs que les meilleurs verres existants actuellement. Cette formulation a été obtenue et validée par des mesures germanium bas bruit de fond. À l’arrêt de Photonis, les développements sur la radiopureté ont pu reprendre en collaboration avec Hamamatsu et Primeverre. La réalisation mécanique des tubes satisfaisant les spécifications de Hamamatsu a été prouvée par la société Primeverre. L’étape actuelle est la qualification (par Hamamatsu) de tenue au vide du tube ainsi que du process de photocathode. Un premier prototype de PM très basse radioactivité devrait être fabriqué courant 2013.