High Voltage Delivery and Distribution for the NEXT-100 Time Projection Chamber

Résumé technique : Distribution et livraison de haute tension pour la chambre à projection temporelle NEXT-100

Énoncé du problème
La réalisation de chambres à projection temporelle (TPC) à grande échelle à base de gaz pour les recherches de la double désintégration bêta sans neutrino ($0\nu\beta\beta$) nécessite la livraison et la distribution stables de hautes tensions (de l'ordre de dizaines de kilovolts) sur des distances de dérive de l'ordre du mètre. Le passage à l'échelle de ces expériences entraîne souvent des défis pour maintenir des champs électriques uniformes et prévenir les claquages diélectriques, particulièrement dans des conditions de haute pression. L'expérience NEXT-100, une TPC à xénon haute pression conçue pour rechercher la $0\nu\beta\beta$, nécessite une tension de cathode de -65 kV pour établir un champ de dérive de 400 V/cm dans 13,5 bar de xénon. Les principaux défis techniques abordés dans ce travail sont :

1. Concevoir un passage de haute tension (HVFT) capable de résister à des pressions allant jusqu'à 20 bar et à des tensions allant jusqu'à -65 kV sans claquage ni accumulation de charges.
2. Distribuer cette tension de manière uniforme à travers la cage de champ tout en respectant un budget de radiopureté strict afin de minimiser le bruit de fond radioactif provenant des chaînes radioactives naturelles ($^{232}\text{Th}$ et $^{238}\text{U}$).
3. Assurer la robustesse mécanique et l'étanchéité hermétique pour la transition entre la pression atmosphérique et l'environnement de xénon haute pression.

Méthodologie
Les auteurs décrivent la conception, l'assemblage et la validation du système de haute tension de la cathode de NEXT-100, en se concentrant sur deux composants principaux : la cage de champ et l'HVFT de la cathode.

• Conception de la cage de champ : La cage de champ est composée de 52 anneaux en cuivre supportés par 18 entretoises en polyéthylène haute densité (HDPE). Les anneaux graduent le potentiel de la cathode vers le plan de masse. Pour assurer l'uniformité, les anneaux sont connectés par des réseaux parallèles de résistances film-puce-film de 100 MΩ. La structure est enveloppée dans un film HDPE (« Poly Wrap ») pour isoler les électrodes haute tension des blindages internes en cuivre. La conception minimise la masse structurelle pour satisfaire aux contraintes de radiopureté, en utilisant des composants emboîtables pour réduire l'échafaudage passif. Des analyses par éléments finis ont été réalisées pour vérifier la stabilité mécanique sous le poids des composants (masse totale ~270 kg), confirmant des déformations conformes aux tolérances acceptables (<2,1 mm).
• Conception de l'HVFT de la cathode : Le passage de haute tension est un assemblage personnalisé comprenant un blindage de mise à la terre en acier inoxydable 316, une gaine isolante en polyéthylène à ultra-haute masse moléculaire (UHMW) et une broche en cuivre sans oxygène usinée avec précision. La conception repose sur des « cryo-ajustements » (ajustements par interférence obtenus par contraction/expansion thermique) pour créer des joints de vide et de pression sans utiliser de colles ou de graisses, qui pourraient introduire des risques de radiopureté. La géométrie de l'isolant est effilée pour minimiser les concentrations de champ électrique.
• Stratégie de radiopureté : Les matériaux ont été sélectionnés et sourcés sur la base de dosages de radiopureté effectués par spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif (ICP-MS) au Pacific Northwest National Laboratory et au Laboratorio Subterráneo de Canfranc. Le processus de sélection a privilégié les matériaux présentant de faibles concentrations de $^{232}\text{Th}$ et $^{238}\text{U}$.
• Assemblage et installation : L'assemblage de l'HVFT implique le chauffage de la gaine en polyéthylène et le refroidissement de la broche en cuivre pour faciliter l'insertion. Le système est installé à l'aide d'un gabarit spécialisé pour gérer les cryo-ajustements. Les câbles haute tension sont préparés avec des fiches bananes et fixés à l'aide de brides personnalisées en UHMW pour éviter les déconnexions induites par la tension.
• Validation et mise en service : Le système a subi des tests hydrostatiques jusqu'à 20,7 bar et des tests de fuite à l'hélium. Les performances de haute tension ont été validées dans le prototype NEXT-CRAB en utilisant de l'azote gazeux, suivies d'une mise en service dans la cuve complète de NEXT-100 en utilisant de l'azote, de l'argon et du xénon.

Résultats clés

• Performance : L'HVFT a démontré avec succès sa capacité à supporter des pressions allant jusqu'à 20 bar et à maintenir des tensions aussi élevées que -65 kV (testé jusqu'à -70 kV dans l'azote). Le système fonctionne de manière stable aux hautes tensions de conception dans le détecteur NEXT-100.
• Radiopureté : Les analyses de matériaux ont confirmé que les composants de la cage de champ, y compris les anneaux de cuivre, les entretoises en HDPE et les réflecteurs en PTFE, répondent aux exigences de fond de l'expérience. La contribution totale attendue à l'indice de bruit de fond de ces composants est acceptablement basse pour les contributions de $^{208}\text{Tl}$ et $^{214}\text{Bi}$.
• Stabilité : Les mesures de stabilité de courant et de tension dans l'azote, l'argon et le xénon n'ont montré aucun claquage électrique. Le système a maintenu un fonctionnement stable sur plusieurs mois d'utilisation intermittente et de multiples montées en tension.
• Intégrité mécanique : Les simulations par éléments finis et les tests physiques ont confirmé que les anneaux de cuivre et les entretoises en HDPE peuvent supporter la masse de la cage de champ avec une déformation négligeable, garantissant l'intégrité du champ de dérive.

Signification et affirmations
L'article affirme que la collaboration NEXT a démontré avec succès un système robuste de passage de haute tension et de distribution de cathode adapté aux contraintes spécifiques de l'expérience NEXT-100. La signification de ce travail réside dans :

1. Permettre l'opération : Le système est essentiel pour permettre la mise en service rapide et le fonctionnement stable de NEXT-100, permettant à l'expérience d'atteindre et de maintenir ses hautes tensions de conception dans divers milieux de dérive (azote, argon et xénon).
2. Conformité à la radiopureté : La conception intègre avec succès les fonctionnalités de haute tension aux strictes contraintes de radiopureté, une exigence critique pour les recherches sur les événements rares.
3. Évolutivité : Les auteurs déclarent que la conception du passage de haute tension est adaptable aux futures TPC et semble évolutive pour les systèmes de prochaine génération nécessitant des tensions plus élevées et des échelles de détecteurs plus grandes.
4. Validation : La validation réussie de l'HVFT et de la cage de champ sous des conditions réalistes (haute pression et haute tension) confirme la viabilité de la conception pour la phase de prise de données physiques à venir de la recherche sur la $0\nu\beta\beta$.

L'article conclut que le système est actuellement en opération au cœur de l'expérience NEXT-100, facilitant la recherche de la double désintégration bêta sans neutrino à l'aide de xénon gazeux haute pression.