La Diffusion de Neutrons aux Petits-Angles – DNPA est une technique qui permet d’explorer la structure et la dynamique d’objets peu organisés (non cristallisés), tels ceux que l’on désigne par « Matière molle ». Elle permet ainsi l’étude de structures « mésoscopiques » que l’on retrouve dans un grand nombre de thèmes de recherche en matière molle et condensée, biophysique et science des matériaux.
La compréhension simultanée des configurations spatiales et des propriétés dynamiques de ces objets est souvent requise pour comprendre, et affiner, les fonctionnalités des matériaux étudiés.
C’est avec ces objectifs que le LLB, en étroite collaboration avec l’Institut Laue Langevin de Grenoble, a installé auprès du guide H15 de l’ILL, le diffractomètre « SAM-Small-Angle Modular Instrument », qui permettra de réaliser des études sur une large gamme de paramètres expérimentaux en taille ≈ 0.1 – 100 nm et en durée ≈ 0.1 ps – 10 ns. De plus une variété d’environnements sont également proposés : basses températures, champs magnétiques intenses, hautes pressions, cellules stop-flow, etc…
Après quatre années de conception et d’installation, le spectromètre a reçu ses premiers neutrons et est entré en phase de test début mars 2024, avec une ouverture aux expériences prévue en Juin 2024.
« SAM » est un instrument de diffusion des neutrons aux petits angles (DNPA) de taille intermédiaire, développé par le Laboratoire Léon Brillouin (LLB) en collaboration avec l’Institut Laue Langevin (ILL, Grenoble). Sa construction a été proposée dans le cadre du programme de jouvence « Endurance I » de l’ILL, avec deux objectifs principaux :
- Maintien d’un accès à la DNPA pour la communauté française au-delà de l’arrêt du réacteur Orphée,
- Développement d’un instrument multifonctions étendant les capacités de la DNPA, en particulier vers la spectroscopie à haute résolution.
SAM dispose d’un collimateur sténopé (géométrie « pin-hole ») permettant de travailler avec un faisceau de neutrons non-polarisé ou polarisé. Grâce à sa position à l’une des extrémités du guide H15 entièrement rénové, le flux neutronique sur l’échantillon sera très similaire à celui disponible sur les instruments de classe mondiale D22 et D33 déjà en service à l’ILL. SAM sera aussi doté d’une option « MIEZE – Modulation of IntEnsity with Zero Effort » permettant de réaliser des mesures spectroscopiques avec des résolutions en énergie meilleures que le μeV, et ceci indépendamment de l’échantillon ou de son environnement.
Système de guides – SAM sera situé à l’extrémité de la branche dédiée H15-1b (section courbe de 32 m suivie d’une section droite de 4 m) du nouveau guide H15 (section de 40 x 30 mm). La longueur d’onde moyenne sera définie par un sélecteur de vitesse hélicoïdal (3.5 ≤ λ ≤ 20 Å, Δλ/λ = 10 %) et l’intensité du faisceau monochromatique sera évaluée par une chambre à fission à l’235U de faible épaisseur (efficacité ≈ 10-6).
En aval, une enceinte sous vide reliée au collimateur contient un passeur linéaire permettant d’insérer dans le faisceau soit une cavité polarisante en « W » (lames FeSi, m = 4) de 1.37 m, soit un élément de guide non polarisant (m = 1).
Cette enceinte est suivie d’un collimateur de 9 m de long, qui permet de garantir l’alignement des guides de neutrons malgré de légères modifications de la géométrie de l’enceinte lors des changements de sa pression interne.
Environnement-échantillon – SAM dispose d’une table pouvant supporter des éléments massifs (jusqu’à 800 kg) et dotée de 6 mouvements indépendants (translations et rotations autour des 3 directions). Son équipement dédié inclut un passeur d’échantillon thermostaté à 24 positions et un cryo-aimant à champ horizontal de 10 T.
Enceinte de détection – SAM dispose d’un détecteur bidimensionnel à 3He (ILL MAM128) présentant une surface active de 64 x 64 cm2 (128 x 128 pixels). Ce détecteur est installé dans l’enceinte détecteur entièrement rénovée de l’ex-instrument PAXY (LLB). Ses dimensions permettent d’accéder à des distances échantillon-détecteur de ≈ 1 à 7 m. L’enceinte en elle-même est attachée à la table échantillon et pourra être inclinée par rapport à l’axe optique de l’instrument pour augmenter la gamme de Q accessible.
Option « MIEZE » – L’instrument est équipé d’une option MIEZE, permet de sonder la dynamique nucléaire ou magnétique avec une haute résolution en énergie (< μeV) ou de réaliser des mesures stroboscopiques sur une échelle de temps allant de la μs à la s. Pour ceci une paire de polariseurs RF permet de moduler la polarisation du faisceau incident, et un analyseur traduit ces modulations en variations d’intensité, pouvant atteindre quelques MHz. Cette technique Comparativement au NSE – Neutron Spin Echo, « MIEZE » n’est pas sensible à la dépolarisation du faisceau par l’échantillon ou son environnement [3]. Cela ouvre donc de nouvelles perspectives en spectroscopie neutronique, en particulier dans le domaine du magnétisme [4]. MIEZE fonctionne de façon optimale dans le régime des petits angles, ce qui en fait donc une option très intéressante pour SAM [5].
Après une phase d’installation et de montage qui a duré 2 ans, le guide H15 a injecté ses premiers neutrons dans l’instrument en mars 2024. L’ouverture de l’instrument à la communauté est prévue en Juin 2024. Il sera exploité comme un instrument de type « CRG- Collaborating Research Group », avec une répartition à 50-50 % du temps de faisceau entre le programme des utilisateurs de l’ILL et ceux de la communauté française [1], géré par la Fédération Française de Diffusion Neutronique (2FDN).
Références :
- C. Dewhurst et al., J. Appl. Cryst. 49, 125110 (2016)
- R. Gähler et al., Neutron resonance spin echo-a new tool for high resolution spectroscopy, Physica B 180 & 181 (1992) 899-902
- J. Kindervater et al., EPJ Web of Conferences 83 (2015) 03008
- C. Franz et al., J. Phys. Soc. Japan 88, 081002 (2019)
- N. Martin, Nucl. Inst. Meth. In Phys. Res. A 882 (2018) 11-16
- https://cordis.europa.eu/project/id/654124
Voir l’actualité ILL : « SAM est opérationnel« .
Équipe-projet LLB :
- Annie Brûlet (Coordinatrice du projet)
- Marc Detrez, Christophe Meunier (Mécanique)
- Patrick Lambert, Emmanuel Rampnoux (Electronique)
- Pascal Lavie (Chef de projet technique)
- Nicolas Martin (Chef de projet scientifique)
- Maycki Thiébault, Anne-Laure Remot (CAO)
Équipe-projet ILL : Lester Clarke et Luc Didier (CAO), avec le soutien de l’équipe-projet H15 et des services techniques.