Development of calibration sources for proton spectroscopy

par Romain Virot

Thèse de doctorat en Physique subatomique et astroparticules

Sous la direction de Benoît Clément et de Torsten Soldner.

Soutenue le 04-07-2017

à l'Université Grenoble Alpes (ComUE) , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Institut Max von Laue-Paul Langevin (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-Marie de Conto.

Le jury était composé de Ulli Köster.

Les rapporteurs étaient Patrick Nédélec, Christian Weinheimer.

  • Titre traduit

    Développement de sources de calibration pour la spectroscopie du proton


  • Résumé

    La spectroscopie du proton issu de la décroissance du neutron donne un accès complémentaire à lambda (rapport des constantes de couplage faibles gA/gV) et permet la recherche de physique au-delà du Modèle Standard. Au sein des expériences, les protons de basse-énergie (E<751.4 eV) sont guidés et sélectionnés grâce à des champs électromagnétiques. La connaissance précise du potentiel électrostatique est primordiale car celui-ci peut biaiser la sélection des protons. Il faut une précision de quelques mV dans les expériences de spectroscopie du proton aSPECT et PERC pour leur permettre d’atteindre la précision de mesure désirée. Comme les conditions expérimentales impactent le champ (effets de température sur la position des électrodes et leur fonction de travail, condition de surface, pièges qui se chargent etc.), il est nécessaire de pouvoir effectuer la mesure du champ électrostatique in-situ. D’autres effets systématiques sont reliés à la détection de protons: résolution du détecteur, homogénéité, probabilité de rétrodiffusion etc. in-situ.Les objectifs de ce projet sont de créer des sources de calibration pour des mesures électrostatiques in-situ et la caractérisation de détecteurs de protons et de construire une chambre d’essai dédiée à la caractérisation et l’optimisation des sources.Pour les mesures électrostatiques, la modération des positrons a été identifiée comme prometteuse. Ce processus crée un faisceau de particules chargées positivement avec une largeur spectrale très faible (FWHM de quelques dizaines de meV) et avec une distribution angulaire bien définie. Un tel faisceau pourrait permettre de comparer, au sein du spectromètre, les différences de potentiels entre des électrodes.Pour la caractérisation des détecteurs, les sources de protons disponibles sur le marché sont difficiles à coupler aux forts champs magnétiques et induisent souvent une détérioration de la qualité du vide dans les expériences, rendant ardue l’utilisation d’un détecteur sous haute tension (entre -15 et -30 kV). La Désorption Stimulée par Electrons (ESD) de l’hydrogène adsorbé sur la surface d’un cristal s’avère posséder les qualités requises: une distribution en énergie piquée et bien définie et une compatibilité avec l’ultravide.Le spectromètre aSPECTino a été créé en tant que système de test. C’est un filtre MAC-E qui utilise des champs EM pour guider et sélectionner les particules chargées de basse énergie avant de les détecter à l’aide d’un détecteur sous haute tension pour accélérer les particules sélectionnées. Dans le spectromètre règne un champ magnétique entre 3.5 et 16 mT qui est suffisant pour confiner les positrons de basse-énergie. Les protons de basse-énergie avec un faible moment radial peuvent aussi être guidés vers le détecteur.CALIPSO, qui signifie CALIbration Positron/proton SOurce, est une source de calibration deux en un : elle peut fournir indépendamment des positrons et des protons et est basée autour d’un cristal de tungstène (110). Pour la source de positrons ce cristal est couplé à une source de positron 22Na. Il sert alors de modérateur et réémet une fraction des positrons primaires issus de la source 22Na avec une faible énergie et une distribution angulaire et spectrale étroite. Dans la configuration proton le même cristal est utilisé en tant que substrat pour l’adsortion d’hydrogène. L’ESD est induit par les électrons émis par une source thermoionique et frappants le cristal de tungstène.Cette thèse présente les processus physiques utilisés pour créer les faisceaux de positrons et de protons de basse-énergie de CALIPSO ainsi que la conception et le développement du spectromètre aSPECTino et de la source CALIPSO. Elle présente les premiers résultats expérimentaux de la caractérisation préliminaire d’aSPECTino et de CALIPSO. Les performances attendues de CALIPSO pour ses deux configurations et pour la sensibilité de comparaison des potentiels d’électrodes sont dérivés et démontrés à l’aide de simulations.


  • Résumé

    Proton spectroscopy in neutron beta decay gives a complementary access to $lambda$ (ratio of the weak coupling constants gA/gV and enables new searches for physics beyond the Standard Model. In experiment, low-energy protons (E< 751.4 eV) are usually guided and selected using electromagnetic fields. Precise knowledge of the electrostatic potentials is mandatory as it can drastically bias proton selection. For instance, electrostatic potentials have to be known with an accuracy of a few mV in the proton spectroscopy instruments aSPECT and PERC in order to reach their aspired precision. As experimental conditions can directly impact the field (temperature effects on electrode position and work function, surface conditions, charging traps, etc.), it is mandatory that electrostatic measurements are performed in-situ. Further systematic effects are related to proton detection. In addition to prior off-line detector characterization, it is important to verify detector resolution, homogeneity, backscattering probability etc. in-situ. The protons from neutron decay itself are not suitable for this purpose because of their broad energy distribution and insufficient localization.The goals of this project were to create calibration sources for in-situ electrostatic measurements and proton detector characterizations and to build a dedicated test setup to characterize and optimize the sources.For electrostatic measurements, the process of positron moderation was identified as most promising. Positron moderation creates a beam of positively charged particles with a very narrow energy spread (FWHM of a few tens of meV) and with a well-defined emission angular distribution. Such a beam would allow to directly compare, inside the spectrometer, potential differences between different electrodes.For detector characterization, available commercial proton sources are difficult to couple to high magnetic fields and often induce a deterioration of the vacuum quality in experiments, making it complicated to use detection systems at high voltage (-15 to -30 kV). Electron Stimulated Desorption (ESD) of hydrogen adsorbed on a crystal surface was found to provide the desired properties: a sharp and well-defined energy distribution of the created proton beam and compatibility with ultrahigh vacuum.The aSPECTino spectrometer was built as test setup. It is a MAC-E filter which uses electro-magnetic fields to guide and select low-energy charged particles before detecting them in a solid-state detector. The detector is set at high voltage to post-accelerate the selected particles. The resistive coils of the spectrometer produce a magnetic field between 3.5 and 16 mT which is sufficient to confine low-energy positrons. Low-energy protons with a small radial momentum component can also be effectively guided onto the detector.CALIPSO, which stands for CALIbration Positron/proton SOurce, is a two-in-one calibration source: one apparatus is designed to provide, not at the same time, both positrons and protons. Its core is a tungsten (110) crystal. In the case of positrons the tungsten crystal is coupled to a 22Na positron source. The crystal serves as positron moderator and re-emits a fraction of the primary positrons from the Na source, with low energy and a small angular and energy spread. In the proton configuration the same crystal is used as substrate for adsorbed hydrogen. ESD is induced by electrons emitted from a hot cathode and hitting the tungsten crystal.This thesis introduces the physical processes used to create the low-energy positron and proton beams of CALIPSO as well as the design and the development of both the aSPECTino spectrometer and the CALIPSO source. It presents first experimental results of the preliminary characterizations of aSPECTino and CALIPSO. The expected performances of CALIPSO in both configurations and the sensitivity for comparisons of electrode potentials are derived and demonstrated by simulations.


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