R&D en optique neutronique
Des éléments optiques bien conçus jouent un rôle essentiel pour maximiser le flux de neutrons au niveau de l'échantillon, des systèmes soigneusement optimisés pouvant accroître les intensités de plusieurs ordres de grandeur. Combinées à un réglage précis de la direction et de l'énergie, les techniques de polarisation des neutrons permettent aux chercheurs d'étudier des phénomènes physiques complexes avec une sensibilité exceptionnelle, notamment dans l'étude du magnétisme.
MONOCHROMATEURS À CRISTAL
Les monochromateurs à cristal constituent la méthode la plus efficace pour produire des faisceaux intenses de neutrons monochromatiques à partir d'une source de neutrons « blanche ». En exploitant la diffraction de Bragg, les cristaux monochromateurs réfléchissent une bande de longueurs d'onde spécifique, dont la largeur dépend de la mosaïcité du cristal et de la divergence du faisceau incident. Les cristaux mosaïques sont souvent préférés aux cristaux parfaits, leur mosaïcité pouvant mieux s'ajuster à la divergence du faisceau entrant dans le plan de diffusion, optimisant ainsi l'intensité des neutrons diffusés par Bragg. Les matériaux couramment utilisés comprennent le graphite pyrolytique hautement orienté (HOPG), le cuivre, le germanium, le silicium, ainsi que les cristaux Heusler pour les applications de neutrons polarisés.
L'ILL est un leader dans la production de cristaux et d'assemblages monochromateurs de haute qualité, qui font partie intégrante de nombreux instruments neutroniques avancés de l'Institut.
MONOCHROMATEURS À CRISTAL DE CUIVRE
Les cristaux mosaïques de cuivre présentent d'excellentes propriétés neutroniques, ce qui en fait des monochromateurs particulièrement efficaces. Leur faible espacement réticulaire et leur forte réflectivité en font des matériaux idéaux pour sélectionner des neutrons de courte longueur d'onde (λ < 1,5 Å), tout en préservant une bonne résolution. À partir de monocristaux de haute qualité, la distribution mosaïque peut être affinée davantage par déformation plastique à haute température, permettant un ajustement précis des propriétés cristallines afin de garantir des performances optimales selon les différents instruments neutroniques.
CRISTAUX DE SILICIUM POUR COMPOSANTS OPTIQUES AVANCÉS
La déformation plastique à haute température permet de produire des cristaux de silicium courbés, présentant une forme précise et permanente, sans nécessiter de structures de support supplémentaires. Ces cristaux peuvent être utilisés pour développer des composants optiques capables d'analyser une plage continue d'énergies ou de longueurs d'onde, tout en couvrant un large éventail d'angles de diffusion. Il s'agit là d'une avancée majeure pour l'optique neutronique, en particulier pour la spectroscopie trois axes.
SUPERMIROIRS
Les supermiroirs sont des structures multicouches conçues pour réfléchir les neutrons à des angles supérieurs à l'angle critique. Ces dispositifs sont constitués de couches alternées de matériaux présentant des longueurs de diffusion neutronique différentes. Les performances de ces supermiroirs dépendent de l'épaisseur des couches, de leur composition et de leur qualité cristalline.
À l'ILL, les supermiroirs sont fabriqués par pulvérisation cathodique magnétron, permettant de déposer des matériaux tels que Ni, Ti, Si, Co, Fe et Gd, avec un contrôle précis de l'épaisseur des couches à l'échelle nanométrique.
Les supermiroirs polarisants utilisent des couches alternées de matériaux magnétiques, tels que Co-Ti ou Fe-Si, afin de réfléchir préférentiellement les neutrons d'un état de spin donné, tout en absorbant ou en transmettant l'autre. Le choix du substrat et sa géométrie jouent également un rôle essentiel dans l'optimisation des performances.
³HE POLARISÉ
L'³He n'absorbe que les neutrons dont le spin est opposé à celui du noyau d'³He, tandis que sa section efficace de diffusion est extrêmement faible et pratiquement isotrope. Ces caractéristiques rendent les filtres de spin neutronique (NSF) à ³He polarisé particulièrement efficaces, offrant une technologie très « propre » pour les techniques de neutrons polarisés. Le gaz ³He polarisé fait office de filtre de spin neutronique, pouvant être utilisé soit pour polariser le faisceau incident, soit pour l'analyse de spin des neutrons diffusés après l'échantillon.
TYREX 2
La machine TYREX2 de l'ILL est un dispositif spécialisé pour la production de gaz ³He polarisé, également appelé « station de pompage ³He ». Elle combine pompage optique laser, compression du gaz et champs magnétiques afin d'atteindre des niveaux élevés de polarisation des noyaux d'³He, grâce à un procédé appelé pompage optique par échange de métastabilité (MEOP).
TYREX2 est le système de polarisation de gaz ³He le plus avancé à ce jour, fruit de plus de 20 ans de développement continu par les équipes spécialisées de l'ILL.
FILTRE DE SPIN À ³HE
Le gaz ³He polarisé est transféré depuis la station de pompage TYREX2 vers des cellules de filtre de spin neutronique (NSF), destinées au transport et à l'installation sur les instruments à neutrons polarisés. La qualité de ces cellules de filtre de spin est essentielle pour préserver la polarisation et garantir des temps de relaxation longs du gaz ³He polarisé.
ANALYSE AVANCÉE DE POLARISATION : PASTIS3
La possibilité de contrôler la direction de polarisation des noyaux d'³He au moyen de champs magnétiques externes fait des filtres de spin à ³He un outil exceptionnellement polyvalent pour l'analyse de polarisation neutronique. En ajustant la direction du champ magnétique, la polarisation des noyaux d'³He peut être alignée ou tournée, ce qui permet de réaliser des expériences complètes d'analyse de polarisation XYZ.
Cette méthode est particulièrement puissante pour séparer les contributions de diffusion magnétique, nucléaire cohérente et incohérente, et convient tout particulièrement aux instruments neutroniques dotés d'une analyse de polarisation à grand angle.
