Détecteur de neutrons ultra-froids sensible à la position

Abstract

Bouncing neutrons on a perfect horizontal mirror become quantum objects in Earth's gravitational field. Their energy takes discrete values, contrary to a bouncing ball at a macroscopic scale. The study of the neutron quantum states, and especially the resonant transitions between two states, has the prospect to constrain parameters of certain models of nowadays fundamental physics. The GRANIT spectrometer, housed in the Laue-Langevin Institute (Grenoble, France), is equipped with magnetic field generator modules to induce resonant transitions to study them. One of its operating mode requires a position-sensitive neutron detector, which is designed as a combination of thin films of neutron conversion material 10B and scintillator ZnS(Ag), as well as an optical fibre matrix to determine the positon of incoming neutrons. The thin films were deposited by sputter deposition assisted by microwave plasma. Their structure was examined by SEM and their scintillation performance tested by a photomultiplier tube. The scintillation efficiency in relation to Ag dopant in ZnS was studied, thanks to a procedure of in situ Ag doping. An algorithm capable of identifying photoelectrons was also installed on the optical fibre matrix to reconstruct the barycentre of incoming neutrons.Les neutrons rebondissant sur un miroir horizontal parfait se comportent comme des objets quantiques dans le champ de pesanteur terrestre. Leur énergie prend des valeurs discrètes, contrairement à une balle de tennis rebondissant à l'échelle macroscopique. L'étude des états quantiques des neutrons, et surtout des transitions résonantes entre deux états, permettrait de poser des limites sur les paramètres de certains modèles de la physique fondamentale. Le spectromètre GRANIT, installé à l'Institue Laue-Langevin (Grenoble, France), dispose de modules magnétiques pour induire des transitions résonantes aux neutrons et les étudier. Un des modes de fonctionnement nécessite d'un détecteur de neutrons sensible à la position, qui a été conçu avec des couches minces de conversion de neutrons en 10B et de scintillateur en ZnS(Ag), ainsi qu'un réseau de fibres optiques pour repérer la position d'impact des neutrons sur le détecteur. Des couches minces ont été élaborées par pulvérisation assistée par plasma micro-onde, leurs structures caractérisées par MEB et leurs performances de scintillation testées par un tube photomultiplicateur. L'efficacité de scintillation en fonction de la concentration d'argent a été étudiée, grâce à un procédé de dopage d'argent in situ. Un algorithme d'identification des photoélectrons a également été mis en place sur le réseau de fibres optiques pour reconstruire le barycentre des neutrons incidents