Croissance Czochralski, comportement et propriétés mécaniques de cristaux massifs de Li2MoO4 pour bolomètres scintillants
Institution:
Université Grenoble AlpesDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
Understanding the origin of neutrino mass and the direct detection of dark matter in our universe are among the most exciting scientific drivers in astrophysics today. Crucial experiments in these fields require the detection of extremely rare events, such as neutrinoless double beta decay (2β0ν). Among the most powerful detectors of this decay are the scintillating bolometers that simultaneously generate a nuclear event and record it in the same crystal that constitutes the heart of these bolometers. One of the most promising crystals is lithium molybdate Li2MoO4 (LMO).In the framework of this thesis work, we succeeded, using the Czochralski (CZ) method, in growing several massive LMO crystals (up to 1 Kg) of good crystal quality, one of which was used to realize a scintillating bolometer in the CSNSM laboratory in Orsay.One of the crystals that we developed fractured during its drawing, another had previously cracked during the machining for the realization of a bolometer. This led us to focus on the mechanical properties of LMO crystals, never studied before, in order to understand the mechanical behavior of the crystals during their growth.In order to obtain the elastic coefficients of LMO at different temperatures, which are indispensable for the calculation of the thermomechanical stresses in the crystal during its pulling by the Czochralski method, we performed Brillouin scattering experiments at ambient and high temperatures on samples of different crystal orientations. Uniaxial compression tests on oriented single-crystal LMO samples were performed at high temperatures, which allowed us to study the plastic behavior and fracture of the material.Always in the logic of estimating the risk of LMO cracking, we have developed a finite element calculation model of the temperature fields and thermomechanical stresses in the crystal during the Czochralski pull and during the subsequent cooling.In conclusion, this work discusses the mechanical stresses related to the risk of cracking of LMO crystals during the Czochralski pull.
Abstract FR:
La compréhension de l’origine de la masse du neutrino et la détection directe de la matière noire de notre univers figurent parmi les moteurs scientifiques les plus passionnants de l’astrophysique d'aujourd'hui. Des expériences cruciales dans ces domaines nécessitent de détecter des événements extrêmement rares, tels que la double désintégration bêta sans émission de neutrinos (2β0ν). Parmi les détecteurs les plus performants de cette désintégration se trouvent les bolomètres scintillants qui permettent simultanément de générer un événement nucléaire et de l’enregistrer dans un même cristal qui constitue le cœur de ces bolomètres. Un des cristaux les plus prometteurs est le molybdate de lithium, Li2MoO4 (LMO).Nous avons réussi, dans le cadre de ce travail de thèse, à faire croître par la méthode Czochralski (CZ) plusieurs cristaux massifs (jusqu’à 1 Kg) de LMO de bonne qualité cristalline, dont un a été utilisé pour réaliser un bolomètre scintillant au sein du laboratoire CSNSM à Orsay.L’un des cristaux que nous avons élaborés a fracturé durant son tirage, un autre s’était auparavant fissuré lors de l’usinage pour la réalisation d’un bolomètre. Ceci nous a amené à nous intéresser aux propriétés mécaniques des cristaux de LMO, jamais étudiées auparavant, afin d’appréhender le comportement mécanique des cristaux lors de leur croissance.Dans le but d’obtenir les coefficients élastiques de LMO à différentes températures, qui nous sont indispensables pour le calcul des contraintes thermomécaniques dans le cristal pendant son tirage par la méthode Czochralski, nous avons réalisé des expériences de diffusion Brillouin à température ambiante et à haute température sur des échantillons de différentes orientations cristallines. Puis des essais de compression uniaxiale sur des échantillons de LMO monocristallins orientés, ont été réalisés à hautes températures, ce qui nous a permis d’étudier le comportement plastique et la rupture du matériau.Toujours dans la logique d’estimer le risque de fissuration du LMO, nous avons développé un modèle de calcul par éléments finis des champs de température et des contraintes thermomécaniques dans le cristal pendant le tirage Czochralski et durant le refroidissement subséquent.En conclusion, ce travail discute les contraintes mécaniques en lien avec le risque de fissuration des cristaux de LMO lors de leur tirage.