Brevet FR2812118A1 — publié le 20020125

Description L'invention concerne un polarisateur de neutrons formé d'une suite de couches répétées composée de couches conductrices de neutrons et de couches influençant les neu- trons. Les polarisateurs de neutrons sont des composants qui divisent un faisceau de neutrons sans polarisation ou dont la polarisation est inconnue en deux faisceaux de pola- risation connus (rotation ascendante "spin up" et "spin down" rotation descendante). Le document A. Freund, R. Pynn, W.G. Stirling, C.M.E. Zeyen in Physica B 120 (1983) 86-90 décrit un polari- sateur utilisant un cristal de Heusler; ce cristal réfléchit 73 % des neutrons d'un faisceau de neutrons non polarisé avec une composante de spin, souhaitée, suivant une polarisation supérieure à 95 %. Le document W. Heil, K. Andersen, D. Hofmann, H. Humblot, J. Kulda, E. Lelievre-Berna, O. Schàrpf and F. Tas- set, Physica B 241-243 (1998) 56-63 décrit un second procédé selon lequel un filtre de spin 3He permet une polarisation de % pour une transmission de 23 %. Comme exemple de troisième procédé, le document F. Mezei: Neutron Optical Devices, ed. C. Majkrzak, Proc. SPIE 983, pp 10-17 décrit le principe d'une cavité polari- sante; le document Th. Krist, C. Pappas, Th. Keller F. Me- zei, Physica B 213-214 (1995) 939-941 présente une réalisation de cette proposition. Dans ce dispositif, dans un conducteur de neutrons dont les parois extérieures sont des miroirs, on introduit en diagonale une couche réfléchissante, sélective pour le spin. Cette couche réfléchissante sélective pour le spin transmet pour une certaine zone d'angles d'incidence des neutrons uniquement la composante de spin souhaitée alors que les autres composantes sont réfléchies. Le document Th. Krist, S. J. Kennedy, T.J. Hicks F. Mezei, Physica B 242-243 (1998) 82-85 décrit un polarisa- teur compact dont les couches conductrices de neutrons sont des plaquettes de silicium. La plaquette de silicium porte sur une face, une couche formant un supermiroir et la face opposée porte une couche absorbante. Un tel composant peut comporter jusqu'à 100 plaquettes de silicium revêtues. Le po- larisateur compact présente une courbure correspondant à une déviation de l'ordre de l'épaisseur d'une plaquette. Si l'on supprime la couche absorbante, le polarisateur compact peut fonctionner comme moyen d'aiguillage qui réfléchit une compo- sante de spin et transmet l'autre; on obtient ainsi deux faisceaux de neutrons polarisés, ayant une composante de spin différente et dirigée dans une direction d'étalement diffé- rente. Les installations connues selon l'état de la technique présentent les inconvénients suivants. Les cristaux de Heusler de qualité requise n'existent pas en quantité suffisante sur le marché et de ce fait ils sont très coûteux. Les filtres polarisants ont une faible transmission, c'est-à-dire que les pertes du disposi- tif sont trop importantes. La " cavité " de polarisation pré- sente des dimensions importantes. Le polarisateur compact modifie la trajectoire des neutrons. Si la direction des neu- trons doit rester invariable, il faut un polarisateur tra- vaillant en mode dit de transmission utilisant le polarisateur en combinaison avec un ou deux collimateurs. Or, l'utilisation de plusieurs composants augmente la perte glo- bale dans le dispositif. La présente invention a pour but de développer un polarisateur de neutrons réalisant une polarisation élevée, ayant une faible largeur de canal avec de petites dimensions du composant et permettant l'utilisation pour de petites lon- gueurs d'ondes des neutrons, présentant de faibles pertes, ne perturbant pas la trajectoire des neutrons examinés et dont le coût de fabrication soit avantageux. Selon l'invention, ce problème est résolu par un polarisateur formé d'une succession de couches conductrices de neutrons et de couches influençant les neutrons. La couche conductrice de neutrons est une couche de silicium en forme de coins dont la première surface latérale (surface de base) porte une couche réfléchissant les neutrons de manière angu- laire sélective, adjacente à une couche absorbant les neu- trons et celle-ci est suivie de nouveau d'une couche à ré- flexion sélective angulaire. L'autre face latérale qui est inclinée d'un angle de quelques dixièmes de degrés par rap- port à la première surface latérale, est munie d'une couche à réflexion sélective de spin. Cette couche à réflexion sélec- tive de spin transmet la composante de spin souhaitée, alors que l'autre composante de spin est réfléchie jusqu'à un angle supérieur à l'angle limite de la couche à réflexion sélective angulaire prévue sur la première surface latérale. La succes- sion des couches peut être répétée à volonté plusieurs fois jusqu'à ce que le paquet de couches ainsi formé corresponde par ses dimensions au moins au diamètre du faisceau. Le pola- risateur de neutrons peut être formé d'un paquet de couches ou de plusieurs paquets de couches. Lorsqu'on prévoit deux paquets de couches l'un derrière l'autre, les différentes couches influençant les neutrons sont installées pour qu'entre deux surfaces de base voisines, parallèles pour les couches conductrices de neutrons, qui sont munies de couches absorbant les neutrons et de couches à réflexion sélective angulaire, on a une diagonale de liaison, continue, formée d'une couche à réflexion sélective de spin, prévue chaque fois sur les surfaces latérales inclinées en forme de coins des couches conductrices de neutrons. Selon un mode de réalisation particulier du pola- risateur de neutrons, les différents paquets de couches sont de forme conique en ce que les surfaces de base voisines des couches conductrices de neutrons ne sont pas parallèles, mais font entre elles un angle faible. De manière avantageuse, la couche à réflexion sé- lective de spin est un supermiroir polarisant formé par exem- ple d'un système de couches FeCo-Si. La couche à réflexion sélective angulaire est par exemple en nickel, et la couche absorbante en gadolinium. Le polarisateur peut être réalisé de manière très compacte et avoir des largeurs de canal relativement faibles avec une longueur réduite, ce qui réduit également les pertes par absorption. Suivant le choix de l'angle entre les deux surfaces revêtues, pour une longueur d'environ 5 cm, on peut polariser des neutrons dont la longueur d'onde commence à partir d'environ 0,1 nm. La présente invention sera décrite ci-après à l'aide d'exemples de réalisation représentés schématiquement dans les dessins annexés, dans lesquels: * la figure 1 montre une disposition d'une succession de couches d'une structure stratifiée (en coupe), * la figure 2 montre les dispositions des différentes cou- ches formant un paquet, * la figure 3 montre la disposition de deux paquets de cou- ches à denture réciproque, * la figure 4 montre une disposition de deux paquets de cou- ches avec prolongement des couches influençant les neu- trons, * la figure 5 montre une disposition de deux paquets de cou- ches avec un second paquet de couches, symétrique par rap- port à un miroir et décalé. La figure 1 montre la disposition de la succes- sion de couches pour réaliser un polarisateur de neutrons, en vue de dessus. La couche A conductrice de neutrons, réalisée en silicium, a une forme de coin. A l'un de ses côtés, la surface de base qui est parallèle à la direction moyenne de la trajectoire des neutrons, est munie d'une couche réflé- chissante B1, faisant un certain angle. Cette couche B1 à ré- flexion sélective angulaire, porte une couche absorbante C suivie ellemême d'une couche à réflexion sélective angulaire B2. Le second côté incliné d'un angle faible par rapport à la surface de base est revêtu d'une couche D à réflexion sélec- tive de spin. Une seconde suite de construction analogue est prévue après la première succession de couches de façon que la couche conductrice de neutrons A, alors réalisée en forme de coin, suive dans la direction inversée pour que les surfa- ces de base des deux suites de couches soient parallèles. Si l'on réalise par exemple un tel polarisateur de neutrons par l'application stratifiée de différentes cou- ches sur un support approprié (non représenté ici), on appli- que tout d'abord une couche à réflexion angulaire sélective B2 sur ce substrat, puis une couche absorbant les neutrons C et une autre couche à réflexion angulaire sélective B1. Cette première succession de couches reçoit une couche conductrice de neutrons A d'épaisseurs différentes; l'épaisseur de cou- che maximale est atteinte à l'extrémité droite de la couche alors qu'à l'extrémité gauche, l'épaisseur de la couche des- cend à zéro. La seconde surface latérale, inclinée ainsi réa- lisée pour la couche conductrice de neutrons A reçoit une couche D à réflexion sélective de spin. On obtient ainsi une première structure stratifiée en forme de coin pour le pola- risateur de neutrons. Si maintenant on applique une seconde couche conductrice de neutrons A, en forme de coin, mais en diminuant dans la direction opposée, c'est-à-dire dont l'épaisseur de couche, maximale correspond à l'extrémité gau- che de la couche, alors on aura à l'extrémité droite, une épaisseur de couche nulle. Ensuite, on applique une couche B2 à réflexion angulaire sélective, puis une couche absorbant les neutrons C; celle-ci est de nouveau suivie d'une couche B1 à réflexion angulaire sélective. On obtient ainsi une suc- cession de couches de forme rectangulaire dont les deux sur- faces de base de la couche conductrice de neutrons A et des couches B1 et B2 à réflexion angulaire sélective et les cou- ches C absorbant les neutrons sont parallèles. Les deux cou- ches B1, B2 adjacentes à la couche conductrice de neutrons A dans le paquet de couches, sont reliées par une couche D à réflexion sélective de spin, placée en diagonale alors que les deux couches A conductrices de neutrons, en forme de coins, sont séparées l'une de l'autre par cette couche D à réflexion sélective de spin. La succession de couches ainsi obtenue se répète plusieurs fois sur toute l'épaisseur qui correspond sensiblement au diamètre du faisceau de neutrons incident. De manière avantageuse, on dimensionne ce paquet de couches y compris le support pour permettre son installa- tion dans le chemin d'un faisceau. Pour que tous les neutrons arrivent sur le polarisateur, on a placé l'un derrière l'autre dans ce cas, deux paquets de couches pour que le sup- port d'un paquet soit suivi de la succession de couches acti- ves de l'autre paquet, en amont ou en aval. La figure 2 montre une autre variante de réalisa- tion du polarisateur de neutrons. Dans ce cas, chaque suite de couches simples, en forme de coins, réalisée de façon ana- logue à celle du premier exemple, est fabriquée séparément. Dans le cas de cette succession de couches séparées, d'un cô- té, c'est-à-dire la surface de base de la couche conductrice de neutrons A, on a une première couche B1 à réflexion angu- laire sélective, puis une couche C absorbant les neutrons et ensuite de nouveau une couche B2 à réflexion angulaire sélec- tive. Sur l'autre côté, c'est-à-dire le côté en biais de la couche conductrice de neutrons A, on a la couche à réflexion sélective de spin D. Ces successions de couches séparées peu- vent être superposées pour former un paquet de couches; tou- tes les surfaces de base des couches conductrices de neutrons A avec les couches B1, B2 adjacentes à réflexion angulaire sélective et les couches C absorbant les neutrons sont paral- lèles, de même que les surfaces latérales, inclinées en forme de coins avec les couches D à réflexion sélective de spin, sont chaque fois parallèles. La figure 3 montre une troisième variante de réa- lisation du polarisateur de neutrons. Comme couche conduc- trice de neutrons A, on utilise dans ce cas un morceau de silicium en forme de coin. Ce morceau de silicium fabriqué à partir d'une plaquette, ne peut être réduit jusqu'à une épaisseur nulle, sur un côté pour des raisons techniques, si bien que l'on superpose deux tels paquets de couches dans la direction du faisceau. Les différents morceaux de silicium sont réduits d'un côté, selon les procédés connus (par exem- ple par rodage), jusqu'à par exemple un tiers de l'épaisseur de départ pour obtenir un morceau de silicium en forme de coin; sur une surface latérale (surface de base) on munit ce morceau de silicium d'une première couche à réflexion angu- laire sélective B1 et de la couche C absorbant les neutrons, puis d'une autre couche à réflexion angulaire sélective B2. Sur le côté incliné en forme de coin du morceau de silicium, on prévoit la couche à réflexion sélective de spin D. De telles pièces revêtues sont assemblées en un paquet pour que la surface de base et le côté incliné soient alors chaque fois parallèles. Un second paquet de couches de même construction, que l'on retourne de 180 est placé der- rière le premier paquet de couches pour que les extrémités diminuées des éléments de silicium pénètrent chaque fois dans les intervalles qui correspondent au premier paquet de cou- ches. Ainsi les couches à réflexion sélective de spin D, ad- jacentes aux surfaces latérales inclinées et les couches B à réflexion angulaire sélective adjacentes aux surfaces de base ainsi que les couches absorbantes C des deux paquets de cou- ches se chevauchent sur une certaine longueur. Dans cette disposition, on aura également une couche à réflexion sélec- tive de spin D, en diagonale, continue, entre les couches Bl, B2 à réflexion angulaire sélective adjacentes aux surfa- ces de base pour les deux paquets de couches. La figure 4 montre un quatrième mode de réalisa- tion très voisin de celui décrit ci-dessus. La différence est que les morceaux de silicium sont diminués seulement d'un cô- té, de la moitié de l'épaisseur initiale, ce qui facilite leur réalisation pour de faibles épaisseurs de plaquettes. Comme les morceaux de silicium sont réduits à la moitié de l'épaisseur initiale, il n'est pas possible de faire chevau- cher les deux paquets de couches. Les deux paquets de couches sont placés les uns derrière les autres de façon analogue au mode de réalisation de la figure 3, pour que les différentes couches à réflexion angulaire sélective BI, B2, les couches absorbantes C, ainsi que les couches à réflexion sélective de spin D du premier paquet de couches, se poursuivent chaque fois dans le second paquet de couches. Ainsi même dans cette disposition, on a une couche D continue en diagonale, à ré- flexion sélective de spin, entre les couches Bl, B2 à ré- flexion sélective angulaire qui se suivent sur les surfaces de base B2 des deux paquets de couches. La figure 5 montre un autre mode de réalisation du polarisateur de neutrons. Dans ce mode de réalisation, on utilise des morceaux de silicium en forme de coins, réduits à la moitié de l'épaisseur initiale; un premier paquet de cou- ches est réalisé de façon analogue à celui de la figure 4. Un second paquet de couches, de même construction, est disposé de façon symétrique plane et décalé, derrière le premier pa- quet de couches pour qu'au niveau de la surface de contact (surface de miroir) entre les deux paquets de couches, les surfaces d'extrémité des couches à réflexion sélective de spin D du premier paquet de couches correspondent chaque fois avec les surfaces d'extrémité des couches à réflexion angu- laire sélective B2 du second paquet de couches, et les surfa- ces d'extrémité des couches B2 à réflexion angulaire sélective du premier paquet de couches, chaque fois avec les surfaces d'extrémité des couches D à réflexion sélective de spin du second paquet de couches. La disposition décalée des couches à réflexion sélective de spin D dans les deux paquets de couches placés l'un derrière l'autre garantit que chaque neutron qui pénètre sur le côté Sl dans la couche conductrice de neutrons A du polarisateur de neutrons, rencontre au moins une fois une couche à réflexion sélective de spin D, dans la mesure o ce neutron n'a pas été transmis préalablement, à cause de son angle d'incidence trop grand sur la couche à ré- flexion angulaire sélective B2, par celle-ci, pour être en- suite absorbé par la couche absorbante C qui se trouve derrière. Les différents paquets de couches peuvent égale- ment avoir une forme conique. Pour cela, on bascule les dif- férentes couches les unes par rapport aux autres ou on donne aux couches A conductrices de neutrons, en forme de coins, les épaisseurs de couches différentes. Dans ce mode de réali- sation dont la succession des couches est inchangée, on peut analyser l'état de spin des neutrons dispersés par un échan- tillon dans une plage angulaire plus importante, car les sur- faces de base des couches conductrices de neutrons A sont alignées dans ce cas chaque fois radialement vers l'échantillon. La surface d'entrée Sl est dans ce cas plus petite que la surface de sortie S2. Le fonctionnement du polarisateur de neutrons se- ra décrit ci-après à l'aide de la figure 3. Cette description s'applique de façon appropriée à tous les modes de réalisa- tion représentés. Pour l'explication, on a représenté quelques tra- jectoires de neutrons. Les neutrons 1 et 2 ont la composante de spin non souhaitée et les neutrons 3, 4 la composante de spin souhaitée. Les neutrons rencontrent la surface latérale S1 de la couche conductrice de neutrons A du polarisateur. Le neutron 1 rencontre après son incidence dans la couche conductrice de neutrons A, la couche B1 à réflexion angulaire sélective et du fait de l'angle d'incidence impor- tant, le neutron est transmis et rencontre ensuite la couche absorbante C qui l'absorbe. Si l'angle d'incidence du neutron sur la couche à réflexion angulaire sélective B1 est infé- rieur à l'angle limite, le neutron est réfléchi et il arrive ensuite sur la couche à réflexion sélective de spin D qui le réfléchit, car il n'a pas la composante de spin souhaitée. Puis, il arrive de nouveau mais avec un plus grand angle d'incidence sur la couche à réflexion sélective B1 ou B2. Si maintenant l'angle d'incidence est supérieur à l'angle li- mite, le neutron est transmis et il rencontre ensuite la cou- che absorbante C qui l'absorbe. Si l'angle d'incidence est toujours inférieur à l'angle limite, cette opération se ré- pète jusqu'à ce que l'angle d'incidence du neutron, sur une couche réfléchissante à sélection angulaire B1 ou B2 soit su- périeur à l'angle limite, et le neutron est transmis par la couche réfléchissante à sélectivité angulaire B1 ou B2 pour être absorbé par la couche C absorbante qui se trouve der- rière. Après son entrée dans la couche conductrice de neutrons A, le neutron 2 rencontre la couche à réflexion sé- lective de spin D; celle-ci réfléchit le neutron, car il possède la composante de spin correspondante non souhaitée et il rencontre alors la couche à réflexion sélective B2. Sui- vant l'angle d'incidence, le neutron est soit réfléchi, soit transmis; dans ce cas, il rencontre ainsi la couche absor- bante C pour être absorbé. La même remarque s'applique à ce qui a été présenté précédemment pour le neutron 1. Le neutron 3 après son entrée dans la couche con- ductrice de neutrons A rencontre la couche à réflexion sélec- tive de spin D là o il possède la composante de spin souhaitée, correspondante, pour être transmis et sortir de la seconde surface latérale S2 du polarisateur de neutrons sans rencontrer une autre couche influençant les neutrons. Le neutron 4 rencontre après son entrée dans la couche conductrice de neutrons A, la couche à réflexion sé- lective angulairement B1 qui le réfléchit, car l'angle d'incidence est supérieur à l'angle limite et il rencontre ensuite la couche à réflexion sélective de spin D qui le transmet, car il possède une composante de spin souhaitée, appropriée, et quitte le composant par sa seconde surface la- térale S2. Ainsi, seuls les neutrons de composantes de spin appropriées peuvent sortir par la seconde surface latérale S2. Cette figure montre également de manière significative que les neutrons transmis conservent leur angle relatif par rapport à la direction moyenne de la trajectoire même après une réflexion. Grâce aux faibles largeurs de canal réalisables, la longueur nécessaire au polarisateur de neutrons pour des longueurs d'ondes identiques est diminuée de dix à cent fois par rapport aux dispositifs à cavités comparables définis dans l'état de la technique. Dans la comparaison avec le polarisateur compact en mode de transmission, on arrive à un rendement considéra- blement plus élevé, car il ne faut aucun collimateur supplé- mentaire et la transmission multiple par le supermiroir disparaît, celui-ci ayant une absorption non négligeable. REV E N D I C A T I ON S 1 ) Polarisateur de neutrons comportant une suite de couches conductrices de neutrons (A), de couches à réflexion angu- laire sélective de neutrons (B1, B2), de couches à réflexion sélective de spin de neutrons (D) et de couches absorbant les neutrons (C), caractérisé en ce que: * les couches conductrices de neutrons (A) ont une faible absorption de neutrons, * les couches conductrices de neutrons (A) sont chaque fois réalisées sous la forme d'un coin, * l'angle d'inclinaison de la surface inclinée en forme de coin des couches conductrices de neutrons (A) par rapport à la surface de base de la couche conductrice de neutrons (A), est de quelques dixièmes de degrés, * la surface de base de la couche conductrice de neutrons (A) est munie d'une première couche à réflexion angulaire sélective (B1), * cette couche est suivie d'une couche absorbante (C), et * d'une couche (B2) à réflexion angulaire sélective, * les surfaces de base des couches conductrices de neutrons (A) sont chaque fois parallèles à la direction de trajec- toire moyenne des neutrons, * les autres surfaces latérales inclinées en forme de coins des couches conductrices de neutrons (A) sont munies d'une couche à réflexion sélective de spin (D), * cette succession de couches est répétée plusieurs fois, à volonté. 2 ) Polarisateur de neutrons selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces de base des couches conductrices de neutrons (A) sont parallèles entre elles. 3 ) Polarisateur de neutrons selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces de base des couches conductrices de neutrons (A) font un angle faible entre elles. 4 ) Polarisateur de neutrons selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces latérales inclinées en forme de coins des cou- ches conductrices de neutrons (A) sont parallèles entre el- les. ) Polarisateur de neutrons selon la revendication 1, caractérisé en ce que les couches à réflexion sélective de spin (D) sont adjacen- tes. 6 ) Polarisateur de neutrons selon la revendication 1, caractérisé en ce que la suite de couches répétées plusieurs fois forme un paquet de couches. 7 ) Polarisateur de neutrons selon la revendication 1, caractérisé en ce que deux paquets de couches identiques sont placés l'un derrière l'autre dans la direction du faisceau, de sorte que chacune des couches (B1, B2, C, D) influençant les éventuels neutrons du premier paquet de couches se prolonge dans le second pa- quet de couches. 8 ) Polarisateur de neutrons selon la revendication 1, caractérisé en ce que deux paquets de couches identiques sont placés l'un derrière l'autre dans la direction du faisceau, de sorte que le second paquet de couches est symétrique selon un miroir par rapport au premier paquet de couches, mais décalé de façon telle qu'à la surface de contact qui correspond à la surface miroir com- * mune, entre les deux paquets de couches, se trouvent à la même hauteur, à chaque fois une couche à réflexion sélective de spin (D) du premier paquet de couches avec chaque fois la seconde couche absorbante de neutrons (B2) du second paquet de couches, et chaque fois la seconde couche absorbant les neutrons (B2) du premier paquet de couches avec l'autre cou- che (D) à réflexion sélective de spin du deuxième paquet de couches. 9 ) Polarisateur de neutrons selon au moins l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les paquets de couches sont de forme conique. ) Polarisateur de neutrons selon au moins l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la couche conductrice de neutrons est en silicium. 11 ) Polarisateur de neutrons selon au moins l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la couche (D) à réflexion sélective de spin des neutrons est formée comme supermiroir, par exemple d'un système de couches FeCo-Si, et la couche absorbant les neutrons (C) est en Gd. 12 ) Polarisateur de neutrons selon au moins l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la couche (D) à réflexion sélective de spin des neutrons est une couche simple, par exemple en Fe.