Thermodynamique d'impuretés radioactives en solution dans les cristaux massifs de Li2MoO4 pour détecter des événements rares

Radioactive impurities solution thermodynamics in Li2MoO4 bulk crystals for the rare events searches

• Auteur / Autrice : Kaoutar Naciri
• Direction : Matias Velazquez
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : 2MGE - Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et Ingénierie des Matériaux et Procédés

Mots clés

Mots clés libres

Li2MoO4

Thermodynamique des solutions

Radio-impureté

Calphad

Czochralski

Dft

Li2MoO4

Solution thermodynamics

Radio-impureté

Calphad

Czochralski

Dft

Résumé

La demande internationale en monocristaux massifs de Li2MoO4 (LMO) est considérable, du fait de leur utilisation dans la fabrication des bolomètres cryogéniques à chaleur-scintillation (BCCS) de prochaine génération. Ces cristaux représentent 50% du coût de fabrication de ces appareils et sont recherchés pour leurs propriétés physiques et physico-chimiques à haute et basse températures. Ces propriétés leur permettent d'une part d'être obtenus en pureté et qualité suffisantes par croissance Czochralski, et d'autre part de fonctionner de manière satisfaisante lorsqu'ils sont implémentés dans les BCCS. Ces derniers pourront être utilisés en recherche de double décroissance bêta sans neutrino (02), de matière noire, d'axions solaires ou encore en caractérisation de fonds continus de neutrons environnementaux. L'objectif principal est d'établir les conditions physicochimiques et thermodynamiques pour une parfaite maîtrise des conditions de synthèse, en décrivant l'impureté radioactive depuis l'échelle du site cristallographique jusqu'au monocristal massif et des variations de bruit de fond radioactif dans les détecteurs BCCS. Les propriétés thermodynamiques du système Li-Mo-O + K, Th, U et les diagrammes de phases correspondants seront étudiés par une approche couplée de modélisation théorique et de simulations numériques (CALPHAD/DFT) et des expériences ciblées (spectrométrie de masse haute température, thermobalance/analyse thermique sous p(O2) contrôlée). L'accent sera mis sur la nature et composition de la phase liquide et l'influence des phénomènes rédox (peroxyde, valence mixte du Mo, de l'U) sur les équilibres solide-liquide-gaz.

The international demand for Li2MoO4 (LMO) bulk single crystals is very important, due to their use in the fabrication of the next generation of heat-scintillation cryogenic bolometer detectors (HSCB). These crystals represent 50% of the manufacturing cost of these devices and are investigated for their physical and physicochemical properties at high and low temperatures. These properties allow them at first to be obtained in sufficient purity and quality by Czochralski growth, and secondly, to work efficiently when implemented in HSCB modules. The latters could be used in the search for neutrinoless double beta decays, dark matter, solar axions or in the characterization of environmental neutron backgrounds. The main objective is to establish the physicochemical and thermodynamic conditions for a perfect control of the synthesis conditions, describing the radioactive impurity at the crystallographic site scale, up to the bulk single crystal and the radioactive background variations in the HSCB detectors. The thermodynamic properties of the Li-Mo-O + K, Th, U system, and the corresponding phase diagrams will be studied by a coupled approach of theoretical modeling and numerical simulations (CALPHAD/DFT) and targeted experiments (high temperature mass spectrometry, thermobalance/thermal analysis under controlled p(O2)). The focus will be put on the nature and composition of the liquid phase and the influence of redox phenomena (peroxide, mixed valence of Mo, U) on the solid-liquid-gas equilibria.