Développement de détecteurs de neutrons ultra-froids et d'un système d'analyse de polarisation pour la mesure du moment électrique dipolaire du neutron

par Gwendal Rogel

Thèse de doctorat en Constituants élémentaires et physique théorique

Sous la direction de Oscar Naviliat-Cunic.

Soutenue en 2009

à Caen .

mots clés

• Neutrons -- Polarisation
• Détecteurs
• Neutrons ultrafroids
• Moments dipolaires
• Scintillateurs

Résumé

Cette thèse s'inscrit dans un nouveau projet de mesure du moment dipolaire électrique (EDM) du neutron à l'institut Paul Scherrer. Deux aspects ont été étudiés ici: la détection et l'analyse de polarisation de neutrons ultra-froids. Trois types de détecteurs ont été testés à l'Institut Laue-Langevin (ILL): le cascade-U (technologieGEM), le compteur à gaz 3He et des scintillateurs dopés au 6Li (type GS). Leur efficacité de détection ainsi que leur sensibilité au bruit de fond ont été mesurées. Sous les conditions expérimentales du spectromètre EDM, le scintillateur GS10 s'est montré compétitif avec le détecteur à gaz 3He. Un système de double scintillateur GS3/GS20 a permis d'améliorer la séparation entre signaux neutrons et gammas. Il s'est avéré 20% moins efficace que le détecteur à gaz 3He sous le spectromètre EDM. Le cascade-U a, quant à lui, montré qu'il était 20% moins efficace qu'un GS10 de 500 µm d'épaisseur comme l'ont confirmé des simulations. Un nouveau système d'analyse simultanée de spin est présenté. Il consiste en deux systèmes de détection (bras) possédant chacun un spin flipper adiabatique, un analyseur de spin, et un détecteur. Les bras détectent chacun une composante de polarisation, permettant ainsi un comptage des deux états de spin du neutron. Des tests d'un prototype monté en situation horizontale à l'ILL ont montré que le pouvoir d'analyse des bras était de 80%. La transmission du sytème sans analyseurs est de 50%.

Titre traduit

Development of ultracold neutron detectors and a polarization analyzing system for the measurement of the electric dipole moment of the neutron

Résumé

This thesis was performed in the context of a project aiming to measure the electric dipole moment (EDM) of the neutron at the Paul Scherrer Institute. Two aspects have been studied: The detection and the polarization analysis of ulracold neutrons. Three types of detectors have been tested at the Institut Laue-Langevin (ILL): The cascade-U (GEM technology), the 3He gas detector and 6Li-doped glass scintillators (GS family). Their detection efficiency and their background sensitivity have been measured. The GS10 scintillator is competitive with the 3He gas detector under the conditions realized with the EDM spectrometer. A GS3/GS20 scintillator stack has enabled to improve the neutron/gamma discrimination. It has been found 20% less efficient than the 3He gas detector under the EDM spectrometer. The cascade-detector has been observed to be 20% less efficient than a 500 µm thick GS10 glass as confirmed by simulations. A new system for simultaneous spin analysis is presented. It consists of two independent detection systems (arms) which are each made of an adiabatic spin flipper, a spin analyzer, and a detector. The arms detect opposite spin components, allowing the simultaneous counting of both neutron spin orientations. A prototype mounted in horizontal configuration has been tested at ILL. The analyzing power of both arms has been measured to be 80%. The transmission of the system without spin analyzers has been found to be 50%.