Dans l’objectif de rĂ©aliser de grands projets scientifiques liĂ©s aux origines, le LABEX LIO a, dès sa crĂ©ation, lancĂ© un programme d’investissement dans de nouvelles installations innovantes expĂ©rimentales et techniques Ă  la pointe de la technologie. Cela a donnĂ© lieu, entre autres Ă  la plateforme mutualisĂ©e de cryogĂ©nie et d’intĂ©gration (CCIF) qui comprend, en plus d’un hall de montage au CRAL, trois Ă©quipements installĂ©s Ă  l’IP2I : un un laboratoire unique en France, de dĂ©veloppement de dĂ©tecteurs d’argon liquide pour la dĂ©tection de neutrinos, une plateforme « matière noire », centre de dĂ©veloppement de dĂ©tecteurs cryogĂ©niques semi-conducteurs et supra-conducteurs, pour la dĂ©tection d’Ă©vènements très rares, et une salle blanche pour optimiser l’intĂ©gration de dĂ©tecteurs high-tech.

La plateforme technique de cryogĂ©nie de la matière noire LIO a Ă©tĂ© dĂ©ployĂ©e en 2015 dans le CRYOLAB de l’Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon (IP2I), rĂ©cemment rĂ©novĂ©. Plus de 10 chercheurs, personnels techniques, enseignants et Ă©tudiants du groupe MANOIR et du service INSTRUMENTATION travaillent au dĂ©veloppement de dĂ©tecteurs cryogĂ©niques au germanium et de l’instrumentation Ă  faible bruit associĂ©e (câblage Ă  faible capacitĂ© et Ă  faible microphonie, Ă©lectronique froide Ă  faible bruit, matĂ©riel Ă  faible radioactivitĂ©).

Les objectifs scientifiques sont axĂ©s sur la recherche directe de la matière noire (faible masse – sous-GeV – WIMPs, particule de type Axion, photon sombre) dans le cadre de l’expĂ©rience EDELWEISS et, rĂ©cemment, sur l’application Ă  de nouvelles Ă©tudes de physique avec la diffusion Ă©lastique cohĂ©rente des noyaux de neutrons (CENNS) dans le cadre de l’expĂ©rience Ricochet.

La principale caractĂ©ristique de l’installation est un cryostat Ă  dilution « sèche » He3-He4 capable d’atteindre 10 mK. Le rĂ©frigĂ©rateur a Ă©tĂ© conçu en collaboration avec la sociĂ©tĂ© française CryoConcept. Il est basĂ© sur un cryo-refroidisseur commercial Ă  tube d’impulsion PT410 de la sociĂ©tĂ© amĂ©ricaine Cryomech. Le cryo-refroidisseur a une puissance de refroidissement de 1,0 W Ă  4,2 K et de 40 W Ă  45 K. Le cryostat Ă  dilution fonctionne donc « À SEC », sans hĂ©lium ni azote liquides.

Le point faible des réfrigérateurs à dilution « DRY » est les vibrations générées par la tête froide du tube à impulsions. Même si le moteur de la vanne est éloigné, la dilatation du gaz hélium dans la tête froide génère une large gamme de vibrations très désagréables pour la plupart des expériences.

La seule solution dĂ©finitive pour couper toutes les vibrations est de dĂ©coupler mĂ©caniquement la tĂŞte froide et son moteur de soupape de l’unitĂ© de dilution. Le grand dĂ©fi consiste Ă  maintenir la performance de refroidissement du rĂ©frigĂ©rateur sans contact physique entre les premier et deuxième Ă©tages de la tĂŞte froide et tous les Ă©tages du rĂ©frigĂ©rateur Ă  dilution jusqu’Ă  la chambre de mĂ©lange.

Cette performance unique est rĂ©alisĂ©e dans le cadre de la technologie ultra silencieuse ™ dĂ©veloppĂ©e par Cryoconcept et testĂ©e pour la première fois dans le laboratoire IP2I Cryolab Ă  l’Ă©tĂ© 2015.

Depuis lors, le câblage du dĂ©tecteur, l’Ă©lectronique et les logiciels d’acquisition ont Ă©tĂ© dĂ©veloppĂ©s et installĂ©s avec la grande aide des services techniques.

La salle blanche du LIO a Ă©tĂ© construite pour optimiser la construction et l’intĂ©gration des dĂ©tecteurs de haute technologie. Elle est situĂ©e Ă  l’IP2I dans le bâtiment Van de Graaf. Grâce au labex LIO, un atelier de deux Ă©tages a Ă©tĂ© entièrement rĂ©novĂ© et la salle blanche a Ă©tĂ© livrĂ©e en 2018. Dans un premier temps, la salle blanche sera utilisĂ©e pour accueillir la construction et l’intĂ©gration du futur embout du CMS Tracker pour le LHC Ă  haute luminositĂ© (HL-LHC, Ă  partir de 2027). Le projet est appelĂ© TEDD (Tracker Endcap Double Discs).

Le financement du Labex LIO a permis d’Ă©quiper la salle blanche d’instruments essentiels : un centre d’usinage de haute prĂ©cision pour produire des Ă©lĂ©ments de construction clĂ©s, des cloisons de sĂ©paration pour assurer l’isolation au deuxième Ă©tage, une grande chambre froide capable de contenir les structures mĂ©caniques pour les mesures thermiques jusqu’Ă  -35°C (voir Fig.1), un bras de mesure 3D pour effectuer des mesures mĂ©caniques prĂ©cises, et un portique pour Ă©lever les structures mĂ©caniques au deuxième Ă©tage (voir Fig.2).

Fig 1-1 Salle blanche LIO après la livraison, premier étage (mars 2019)

Fig 1-2 Chambre froide LIO installée au premier étage (janvier 2020)

Fig. 2-1 Portique entre le premier et le deuxième étage de la salle blanche

Fig 2-2 Premier prototype Dee grandeur nature (2,2 m de diamètre) et bras de mesure 3D

Grâce aux LABEX LIO, depuis 2013 l’installation du laboratoire argon liquide offre Ă  l’IP2I une infrastructure complète pour les dĂ©veloppements des chambres Ă  projection temporelle Ă  argon liquide (LAr TPC) qui est unique en France.

LIO liquid argon laboratory at IP2I, view of the cryostat and of the ancillary systems

 

Le laboratoire de 500 m3 de volume, permet un maĂ®trise et expertise complète de la technologie des dĂ©tecteurs LAr, aspect clĂ© pour la rĂ©alisation de expĂ©riences de nouvelle gĂ©nĂ©ration sur les neutrinos Ă  grande distance, comme l’expĂ©rience internationale DUNE aux États-Unis, qui recherchera une violation de CP dans le secteur des neutrinos.

https://www.dunescience.org/

https://www.sanfordlab.org/article/why-dune-searching-origin-matter

L’infrastructure (voir une liste plus détaillée ci-dessous) couvre plusieurs technologies fondamentales dans l’R&D argon liquide comme les systèmes à ultravide, la technologie de purification de l’argon, la cryogénie, le système de très haute tension, les systèmes de contrôle de températures et pressions et les systèmes de lecture de l’ionisation produite par les particules chargées et de la lumière de scintillation.

Le laboratoire comprend un prototype de chambre (LAr TPC) avec un cryostat de 1 tonne, avec des technologies de pointe, contenant un volume d’argon ultra pur (<1 ppb 02) de 250l pour la TPC.

  TPC and cryostat sketch and picture of the TPC field cage and light detection system located below the cathode

Ce TPC, avec 60 cm de longueur de dĂ©rive, a Ă©tĂ© conçu pour Ă©tudier la technologie de lecture de charge en double-phase et comme banc d’essai pour le R&D sur l’Ă©lectronique frontale cryogĂ©nique et les systèmes DAQ Ă  large bande passante qui sont au cĹ“ur des dĂ©veloppements faits Ă  l’IP2I. DĂ©veloppements qui ont Ă©tĂ© appliquĂ©s avec succès, Ă  partir du 2016, Ă  des prototypes de DUNE Ă  plus grande Ă©chelle au CERN, comme le dĂ©tecteur 3x1x1 m3 et le dĂ©tecteur protoDUNE dual-phase 6x6x6 m3.

https://in2p3.cnrs.fr/fr/cnrsinfo/une-nouvelle-technologie-innovante-pour-detecter-les-neutrinos-testee-grande-echelle-au

 

 

 


Some technical aspects of the LIO LAr infrastructure:

  • Liquid argon laboratory (100 m2 surface, 5m ceiling height) equipped with movable crane and all the equipment for the LAr TPC R&D and development of charge readout electronics and associated DAQ systems. Cryogenic installation and LAr delivery system with an external cryogenic tank of 1 ton, automated filling system and ODH safety system.
  • Double wall super-insulated (vacuum insulation) cryostat of 70 cm diameter. Cryostat external thermal bath of boiling LAr (366 liters). Integrated recirculation and purification system of LAr (30 l/m) through trigon cartridge, LAr recirculation bellow pump powered by N2 flow.
  • Cryostat inner vessel for ultrapure (<0.1 ppt O2) LAr (250 liters , diameter 50 cm,height ~115 cm with integrated Time Projection Chamber detector. Integrated Cryocooler of 25W (Cryomech AL25). Cryocooler temperature control loop instrumentation. Pressure relief system
  • Ultra High Vacuum evacuation system of the cryostat with Helium leak detection system and mass spectrometry system for the analysis of residual gas contaminants
  • Accurate measurements of: temperature gradients in the gas and liquid, pressure of the gas Ar phase, liquid argon levels and associated slow control system
  • 30 kV high voltage system (power supply, feedthrough, cathode and field cage) for the generation of the uniform electric field (0.5kV/cm) in liquid argon for a drift of 60 cm.
  • System for the detection of the light produced by the scintillation processes in LAr
  • Infrastructure for the production of the TPC components in house including feedthroughs, insulators, cryogenic glues and TPB coating of the photo-detectors, GAr and LAr piping and  TPC mechanics.