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« Tout un ensemble de noyaux seront accessibles pour la première fois pour des expériences à DESIR »

Après la première pierre posée le 10 novembre dernier, le projet DESIR se concrétise au GANIL. Attendu d’ici 3 à 4 ans, ce hall expérimental apportera des moyens d’analyse inédits qui profiteront, après une purification poussée, des faisceaux issus des cyclotrons du GANIL et de son tout nouvel accélérateur linéaire le LINAC SPIRAL2. Bertram Blank responsable scientifique du projet nous en dit plus sur cette réalisation.

Bertram Blank, devant les écrans de contrôle du dispositif PIPERADE (pour Pièges de Penning pour les RAdionucléides à DESIR), un double piège de Penning construit au LP2IB et dédié à la purification de faisceaux d’ions radioactifs et à la spectrométrie de masse de haute précision. PIPERADE sera démonté puis transféré dans le hall DESIR une fois celui-ci terminé en 2025. Image : LP2I Bordeaux

Quelles nouvelles opportunités scientifiques le projet DESIR va-t-il apporter au GANIL ?

DESIR est un nouveau hall expérimental qui vient compléter les moyens d’analyse du GANIL. Il va permettre d’accéder à des noyaux très exotiques, c’est-à-dire très loin des noyaux stables sur la carte des nucléides et ainsi très difficiles à produire. La production avec S3 donnera aussi accès à des noyaux de certains éléments chimiques, comme les éléments réfractaires de zirconium, niobium, molybdène et plein d’autres, qui ne sont pas du tout produits dans d’autres laboratoires, ou bien en très, très faible quantités. Ainsi tout un ensemble de noyaux seront accessibles pour la première fois pour des expériences à DESIR et ce potentiel repose sur deux facteurs clés : la diversité des faisceaux du GANIL et notre capacité à les purifier en amont des expériences.

En quoi cette diversité des faisceaux du GANIL joue-t-elle un rôle clé ?

Pour explorer toute la palette des noyaux exotiques il faut recourir à des méthodes de production différentes, par fragmentation, fusion ou encore fission des différents noyaux connus. Avec les différents accélérateurs du GANIL il est possible d’en mettre en œuvre deux : la fragmentation, dans l’installation SPIRAL1, à partir des noyaux stables accélérés par les accélérateurs cyclotron du GANIL d’origine, et la fusion-évaporation dans l’installation SPIRAL2/S3, avec des noyaux stables accélérés par l’accélérateur linéaire supraconducteur de SPIRAL2. La troisième méthoden’est pas disponible actuellement, mais par la suite, avec la construction dans un avenir à 10-15 ans d’une installation de production de produits de fission de noyaux lourds, tels l’uranium (ancienne phase 2 de SPIRAL2), le GANIL sera en mesure de délivrer un panel complet d’ions exotiques : des masses légères aux plus lourdes et tout à la fois des noyaux excédentaires en proton mais aussi en neutrons.

Et en quoi la purification de ces faisceaux est-elle de première importance ?

Comme pour beaucoup d’expériences dans des installations existantes le problème principal n’est pas tant la production des noyaux d’intérêt scientifique, mais plutôt la production simultanée de beaucoup de noyaux contaminants, donc l’absence de pureté des faisceaux mis à disposition des utilisateurs. DESIR va donc bénéficier d’une chaîne de purification unique en son genre : cela commence avec un séparateur magnétique de très haute résolution pour ce type d’instrument. Il est constitué de deux puissants aimants magnétiques couplés à d’autres éléments d’optique de faisceau. Il est caractérisé par une très grande vitesse de séparation (quelques micro-secondes). L’élément suivant de cette chaîne de purification sera un spectromètre à temps de vol de type “MR-ToF”, qui est bien plus lent que le séparateur magnétique (temps de séparation de quelques milli-secondes), mais il a une capacité de séparation 10 à 100 fois plus élevée que le séparateur magnétique. Le dernier élément sera un séparateur constitué d’un double-piège de Penning qui augmentera la puissance de séparation d’un autre facteur 10 à 100, mais le processus de séparation durera typiquement 100 milli-secondes. Ces moyens de séparation sont indépendants, mais peuvent aussi être couplés. Ainsi chaque utilisateur peut choisir les moyens de séparation nécessaires pour son expérience et bénéficier de faisceaux ultra purs. C’est cette chaîne de séparation qui distinguera vraiment DESIR de toutes les autres installations de ce type dans le monde.

Qu’en est-il des instruments de mesure ?

Différentes collaborations scientifiques installeront leurs expériences dans le hall DESIR. Certaines de ces expériences sont déjà développées et en cours d’exploitation dans d’autres laboratoires européens (Jyväskylä en Finlande) ou français (ALTO à Orsay). D’autres sont en construction actuellement. Ces instruments seront dédiés à des mesures de masse ou à des mesures des corrélations angulaires dans le cadre de l’étude de la désintégration bêta , regroupés sous le nom DETRAP, puis des expériences pour la spectroscopie laser réunies sous le nom de LUMIERE et finalement des instruments pour la spectroscopie de décroissance de noyaux exotiques regroupés sous le nom BESTIOL. Ainsi des équipements “state-of-the-art” seront installés dans DESIR, des équipements qui auront évidement profité du savoir-faire des physiciens nucléaires, ingénieurs et techniciens français et leur collègues européens et internationaux.

Ces instruments ont-ils des équivalents dans le monde ? Leur conception représente-t-elle une prouesse technique ?

Un nouvel instrument de la recherche n’est jamais une copie exacte d’un autre instrument, mais il est souvent inspiré par des instruments existants. C’est des collaborations nationales et internationales que naissent de nouvelles idées et ainsi de nouveaux instruments. Et évidement nous essayons à chaque fois de faire mieux que dans le passé, de profiter des expériences antérieures et aussi de nouvelles possibilités techniques. Ainsi un des “refroidisseurs” de faisceau utilisés dans DESIR pourra “gérer” un facteur 10 à 100 plus de faisceau que ces “frères” ou “sœurs” ailleurs. Un double-piège de Penning aura une capacité également 10 à 100 fois plus élevée que d’autres équipements du même type. Évidemment des développements techniques de pointe ont été nécessaires pour mettre en place ces instruments.

DESIR va-t-il donner un avantage compétitif important au centre de recherche nucléaire français ?

En tout cas, nous faisons tout ce qui est nécessaire pour y arriver. Je pense que d’un point de vue “équipements” nous serons dans une très bonne position. Mais la qualité des équipements disponibles est seulement une des conditions nécessaires pour faire de belles expériences. À nous maintenant d’attirer nos collègues français, européens et internationaux et d’attirer des jeunes talents pour utiliser nos installations. Évidemment nos tutelles doivent continuer à soutenir GANIL, SPIRAL2 et les projets futurs. Un facteur important pour le succès de DESIR sera par exemple la construction d’une nouvelle installation au GANIL
pour la production de fragments de fission. Une telle installation a été récemment identifiée comme la plus haute priorité pour le GANIL au-delà des projets actuels par un comité d’experts internationaux.

Combien de pays et laboratoires contribuent à sa construction et quelles sont leurs différentes contributions ?

La construction de DESIR est portée pour l’essentiel par la France via cinq laboratoires de physique nucléaire relevant de l’IN2P3. La contribution du GANIL est évidemment la plus importante, avec la construction de l’infrastructure et la préparation de sa mise en exploitation. Mais d’autres laboratoires contribuent de manière essentielle au développement des lignes de faisceaux (IJCLab Orsay), des moyens de purification (LP2i Bordeaux et LPC Caen) ou de l’identification et de la caractérisation des faisceaux envoyés dans DESIR (IPHC Strasbourg). D’autres développent des dispositifs expérimentaux qui seront installées dans DESIR (SUBATECH Nantes). D’autres dispositifs viendront à DESIR dans le cadre de collaborations avec l’Allemagne, l’Espagne, le Royaume-Uni, la Belgique pour ne mentionner que les collaborateurs européens principaux.

Comment ce projet a-t-il été financé ?

Le projet a un coût final, hors extensions et aléas, de 33 M€. Un premier financement important de 9 M€ a été obtenu par l’EQUIPEX DESIR dans le cadre du Plan Investissement d’Avenir (aujourd’hui appelé France 2030) en 2011. C’est rajouté en 2015 un financement important de 14 M€ de la part de l’Allemagne dans le cadre d’un accord bilatéral FAIR-SPIRAL2. Et puis ce sont évidemment aussi les tutelles du GANIL, CNRS et CEA, et les collectivités locales, dont en particulier les régions Normandie et Nouvelle Aquitaine, qui ont contribué d’une manière décisive.

Quel est le calendrier de déploiement de ce hall ?

C’est un projet de très longue date. Les premières réflexions ont commencé en 2005. Mais plusieurs “évènements” extérieurs au projet (report sine die d’une partie de SPIRAL2, changement de la législation etc) ont fait que le projet a beaucoup glissé dans le temps. Néanmoins aujourd’hui la construction a commencé et la livraison complète du bâtiment est prévue mi-2025. Vont alors s’enchaîner l’installation des lignes de transport faisceau et puis les équipements scientifiques. Le plan actuel prévoit les premiers tests en faisceau stable pour la fin 2026 et le démarrage de l’installation avec les premières expériences scientifiques avec des faisceaux d’ions radioactifs en 2027.