Vers de nouveaux environnements d'échantillons sous champs magnétiques intenses pour la diffusion neutronique

Un partenariat technique approfondi entre l’entreprise HTS-110 (Nouvelle-Zélande) et l’ILL a abouti à la livraison du premier aimant supraconducteur à haute température critique au monde pour la diffusion neutronique : un système de 12 tesla livré au CEA pour la science des neutrons à l’ILL (voir image). Le système est désormais installé sur le diffractomètre à deux axes D23  à l’ILL, mais aussi sur des spectromètres à trois axes et d'autres diffractomètres.

Reflétant ce modèle de collaboration réussi, HTS-110 a maintenant été sélectionné par la Source Européenne de Spallation (ESS) pour concevoir et fabriquer un aimant à haut champ de 14 tesla pour la spectroscopie neutronique. Comme dans le projet précédent, HTS-110 sera responsable de la fabrication du système d'aimant, tandis que l’insert à température variable (VTI) sera conçu par l’équipe de l’ILL. Cette continuité permet à l’ESS de bénéficier d’une interface éprouvée entre l’aimant et l’environnement d'échantillon, en tirant parti des capacités de fabrication de HTS-110 aux côtés des 50 ans d’expertise de l’ILL dans les systèmes cryogéniques.

Le nouveau système sera déployé sur les instruments CSPEC (Cold Chopper Spectrometer) et TREX (Bispectral Chopper Spectrometer) à l'ESS à Lund, en Suède, offrant aux chercheurs un champ vertical symétrique allant jusqu'à 14 tesla combiné à un insert à température variable qui supportera un fonctionnement normal de 1,5 K à 325 K, et permettra l'insertion et le refroidissement d'un réfrigérateur à dilution et/ou d'un insert ultra-basse température à $^3He$.

La solution choisie tire parti de la stabilité thermique inhérente des supraconducteurs à haute température par rapport à leurs homologues conventionnels à basse température. Ils offrent une capacité de transport de courant supérieure dans les champs magnétiques élevés, une stabilité thermique accrue et un risque de transition (quench) beaucoup plus faible, ce qui les rend idéaux pour les environnements exigeants de diffusion neutronique. En garantissant une couverture maximale des détecteurs et une faible interférence de bruit de fond, le système de 14 tesla est conçu pour optimiser la qualité des données et l'efficacité des détecteurs en science neutronique.

Le détecteur pour CSPEC est en cours de fabrication à l'ILL, suite à un accord signé en 2024. Ce détecteur à Hélium-3, version agrandie de ceux équipant IN5 et PANTHER, comprend 12 modules multitubes de 3,5 m de long (32 tubes par module), ainsi qu'un module de rechange. Chaque module sera testé et fabriqué à l'ILL et livré à l'ESS d'ici fin 2027, puis rempli de gaz de détection avant d'être installé sur l'instrument. L'accord de collaboration comprend également la formation du personnel de l'ESS.

Quant au système magnétique, la phase de conception a déja commencé, la livraison du système étant prévue pour 2027. Cet aimant permettra des avancées majeures dans la compréhension des matériaux quantiques et de la supraconductivité au niveau atomique.