Structure des noyaux de gallium, de germanium et d’arsenic riches en neutrons autour de N=50 et : développement d’une source d’ionisation laser à ALTO, Nuclear structure of neutron rich gallium, germanium and arsenic around N=50 and : development of a laser ion source at ALTO

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Sous la direction de François Le blanc
Thèse soutenue le 13 mai 2011: Paris 11
Durant cette thèse, nous avons étudié les décroissances β des noyaux de gallium autour de N=50 et préparé une source d'ionisation laser à ALTO. Le besoin d’accéder à des régions de plus en plus exotiques pour la production de faisceaux radioactifs requiert l’élimination des contaminants polluant le faisceau d’intérêt. Afin de résoudre ce problème, une source d’ionisation laser a été développée à ALTO. Le cuivre a été choisi comme premier élément à ioniser pour ses intérêts physiques et pour comparer le fonctionnement de la source laser avec celles des autres installations de recherche. Des lasers ont été ainsi installés et optimisés pour ioniser sélectivement ce type d’atome produits pour les expériences. Ce montage laser nous a permis de tester l’ionisation du cuivre stable avec succès.L'étude de la région des noyaux riches en neutrons autour de N=50 est encore à approfondir. Les connaissances des noyaux de cette région sont clairsemées ce qui ne permet pas de clore les différents débats dont ils sont le sujet. Nous avons donc étudié les noyaux 79,80,82,83,84,85Ga produits à ALTO. Pour cela, un faisceau d’électrons (50MeV et 10µA) délivré par l’accélérateur linéaire est envoyé sur une cible de carbure d’uranium portée à 2000°C. Les électrons y émettent un rayonnement de freinage qui entraine la fission des noyaux d’uranium. Les produits de fission diffusent jusqu’à une source d'ionisation de surface qui est installée en sortie de cible pour ioniser les atomes de gallium et produire le faisceaux d’ions. Ce système nous permet d'étudier les décroissance β- et β--n des isotopes 79,80,82,83,84,85Ga.L’analyse de cette expérience a produit de nouveaux résultats sur les décroissances de 80Ga, 84Ga et 84Ge. Pour 80Ga, l’étude des données a confirmé l’existence d’un état isomérique et a permis de mesurer les durées de vie de l’état fondamental et de l’isomère. De plus, l’analyse de la décroissance de 84Ge a permis de confirmer deux états et de proposer un troisième pour 84As. Enfin la comparaison des résultats expérimentaux avec des calculs théoriques a confirmé l’assignation de spin-parité des premiers états 2+ et 4+ mais aussi du caractère triaxial de 84Ge proposés antérieurement à cette thèse. Le deuxième état 2+ de cet isotope a aussi été identifié. Pour les états de 84As, l’assignation des spins et des parités de quatre états a été proposée et interprétée en terme de mélange de configurations.
-Structure Nucléaire
-Alto
-Source d’ionisation laser
-Isol
-Photofission
-Production de faisceaux d’ions radioactifs
-Noyaux riches en neutrons
-Radioactivité
During this thesis, we have studied β decays of gallium’s nuclei around N=50 and prepared a laser ionization source at ALTO.The production of exotic isotopes has brought new beam production challenges. The one addressed here relates to the elimination of isobar contaminants that create background for experiments. To address this issue a laser ionization source has been developed at ALTO. Copper has been chosen to be the first element to be ionized for physical interests and to compare the results of the laser ionization source with the ones at others facilities. A laser setup has been installed and optimized in order to ionize selectively the atoms of copper produced for experiments. After the optimization, a test of ionization of stable-copper was performed. This test has shown us that the laser system is able to successfully ionize atoms of copper.The studies of the region of the neutron-rich nuclei around N=50 are still to complete. The knowledge of this region is low what does not allow to close off the debates which they are the subject. 79,80,82,83,84,85Ga has been produced using photo-nuclear reactions at the experimental area of the on-line PARRNe mass-separator operating with the ALTO facility. The fission fragments are produced at the interaction of the 50 MeV electron beam delivered by the ALTO linear accelerator with a thick target of uranium in a standard UCx form. The oven is connected to a W ionizer heated up to 2000°C that selectively ionizes alkalies but also elements with low ionization potentials such as Ga. The ions are accelerated through 30 kV and magnetically mass-separated before being implanted on a mylar tape close to the detection setup, so that this system allows us to study β- and β- -n decays of 79,80,82,83,84,85Ga.The data analysis have produced new results concerning the decays of 80Ga, 84Ga and 84Ge. For 80Ga, the existence of an isomeric state has been confirmed and two different half-lives were measured for the ground state and the isomer. Furthermore, the analysis of 84Ga decay confirmed two states and allowed us to propose an other state in the decay of 84Ge. Finally, the comparison between experimental results and theoretical calculations has confirmed the assignment of spin-parity of the first states 2+ and 4+ but also the triaxial property of 84Ge that has been proposed previously. The second state 2+ of this isotope has also been identified. For the states of 84As, the assignment of spins and parities of four states have been proposed and interpreted in terms of configuration mixing.
-Nuclear structure
-Alto
-Laser ion source
-Isol
-Photo-fission
-Production of Radioactive Ions Beams
-Neutron-Rich nuclei
-Radioactivity
Source: http://www.theses.fr/2011PA112053/document
Publié le : mardi 1 novembre 2011
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Thèse de Doctorat
de l’Université Paris-Sud 11
Spécialité
Physique Nucléaire
présentée par
Benoît Tastet
pour obtenir le grade de
DOCTEUR de l’UNIVERSITE PARIS-SUD 11
Sujet de la thèse :
Structure des noyaux de gallium, de germanium et d’arsenic
riches en neutrons autour de N=50
et
Développement d’une source d’ionisation laser à ALTO
soutenue le 13 mai 2011, devant le jury composé de :
M. DUCHÊNE Gilbert Rapporteur
M. LE BLANC François Directeur de thèse
Mme REDON Nadine Rapporteur
Mlle SIEJA Kamila Examinateur
Mme SUOMIJÄRVI Tiina Présidente du jury
M. VERNEY David Co-Directeur de thèse
tel-00600335, version 2 - 27 Jun 2011ii
tel-00600335, version 2 - 27 Jun 2011iii
Remerciements
Le travail de cette thèse a été effectué au sein de l’Institut de Physique Nucléaire (IPN)
d’Orsay dans le groupe NESTER. Je remercie tout d’abord l’ancienne directrice de l’IPN Mme
Dominique Guillemaud-Mueller, le nouveau directeur M. Faiçal Azaiez, l’ancien directeur de la
division de recherche M. Bernard Berthier et le nouveau M. Jacques Guillot de m’avoir permis
de mener ma thèse durant ces années dans ce grand laboratoire de recherche qu’est l’Institut
de Physique Nucléaire. Ils ont été les garants de la qualité de l’environnement des recherches
et du développement de cette thèse.
Je voudrais tout d’abord remercier mes deux directeurs de thèse, François Le Blanc et
David Verney qui ont accepté la charge d’encadrer cette thèse et tout mis en œuvre afin que
la thèse se déroule dans les meilleurs conditions. François m’a initié à la pratique des lasers
et à la préparation du formidable projet qu’est le développement d’une source d’ionisation
laser et de son test. Ses conseils m’ont donné les outils pour produire un travail d’une grande
qualité scientifique en dépit de difficultés de communication entre nous. David m’a montré
l’art qui diffuse à travers l’étude de la structure nucléaire en alliant entre eux des éléments
différents : connaissances, concepts, outils, savoir-faire... Sa disponibilité constante à mon égard
a grandement facilité mon travail de doctorant et m’a permis de dépasser les doutes et les
angoisses que j’ai rencontré.
Je remercie aussi l’ensemble des membres du jury pour avoir apporté leur contribution à ce
manuscrit avec attention et gentillesse. En premier lieu, Tiina Suomijärvi pour avoir accepté la
présidence et m’avoir offert l’opportunité d’enseigner en tant que chargé de travaux dirigés. Je
remercie chaleureusement Gilbert Duchêne pour l’étude scrupuleuse et éclairée à laquelle il a
soumis mon manuscrit mais aussi pour les discussions scientifiques et profanes que nous avons
eues. Merci à Nadine Redon d’avoir accepté d’être rapporteur de ce travail même si l’étude
de la structure des noyaux à basse énergie n’est pas exactement son domaine ainsi que de sa
gentillesse. Je remercie aussi Kamila Sieja d’avoir fourni un œuil avisé et expert sur la partie
interprétation de ce manuscrit alors qu’elle était déjà très occupée.
Ensuite je remercie l’ensemble des personnes qui ont permit le déroulement de l’expérience
de cette thèse. Tout d’abord NGUYEN-KIM Kane avec qui je me suis cassé la tête sur le
programmederelecturedel’expérience.Ensuitel’incroyableéquipeduTandem-ALTOcomposé
de personnes ayant chacun un savoir-faire et une capacité de travail remarquable. Elles ont su
dompter les faisceaux, celui d’électrons d’une part et celui des ions radioactifs d’une autre
part, qui se sont montrés bien capricieux pendant cette semaine d’expérience. Ainsi merci à
Saïd Essaba, Evelyne Cottereau, Christophe Lau, Maher Cheikh, Michel Ducourtieux, Hervé
tel-00600335, version 2 - 27 Jun 2011iv
Lefort, Yann Richard, Alain Semsoun, Elie Borg, Jean-Marie Curaudeau, Harod Bzyl, Thony
Corbin, Hervé Croizet, Marc Raynaud, Abdelhakim Saïd, Christophe Planat, Mario Mangano
et Christophe Vogel.
Je ne peux pas oublier le groupe NESTER dans son ensemble qui m’a accueilli et donné un
environnement de travail chaleureux et un soutien sans faille. Merci à Fadi Ibrahim pour ses
conseils et nos discussions, Stefan Iulian, Brigitte Roussière, Megumi Niikura, Iolanda Matea,
Serge Franchoo, Hammache Fairouz, Nicolas de Séréville, Marlène Assié, Didier Beaumel et
Jean-AntoineScarpacipourleursoutienscientifiqueetlesdiscussions.JepenseaussiàSebastien
Ancelin pour son remarquable travail mais aussi ses discussions plus légères et ses blagues. Je
pense aussi très fort à Laurence Berthier qui m’a coucouné pour tout ce qui était administratif.
Je pense également à mes compagnons de fortunes et infortunes qui sont arrivés en même
temps que moi dans le groupe : Mathieu Ferraton et Baptiste Mouginot, mes compagnons
doctorants.Jelesremerciepouravoirétédesconfidents,detrèsbonsconseilsettoutsimplement
de nouveaux amis. Je pense aussi aux doctorants qui sont arrivés après avec qui j’ai aussi tissé
des liens Dimitri Testov, Sandra Giron, Adrien Matta, Marine Vandebrouck, Romain Leguillon
etLaurentLebvre.JeveuxaussiremercierchaleureusementKarolinaKoloscamaradedebureau
et vraie amie de travail qui m’a aidé dans mon travail.
Je terminerai ces remerciements sur un clin d’œuil à quatre personnes qui m’ont donné envie
d’étudier les noyaux. Tout d’abord Luc Valentin qui par ses cours de licence et master 1 et ses
lancés de craie m’a mis le premier pied dans la physique nucléaire. Ensuite David Verney, Fadi
Ibrahim et Mathieu Lebois qui m’ont accueilli pour mon premier stage en master 1 et m’ont
donné envie de faire une thèse au sein de l’IPN. Ils sont des compagnons et des amis qui m’ont
initié aux arcanes des expérimentateurs de ce fabuleux domaine qu’est la physique nucléaire.
tel-00600335, version 2 - 27 Jun 2011Table des matières
I Introduction 1
78II Evolution de l’effet de couche N = 50 en direction de Ni 3
II.1 Modèle de particules individuelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
II.1.a Nombres Magiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
II.1.b Potentiel de particules individuelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
II.2 Bases de calculs de Modèle en Couches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
II.3 Evolution de la fermeture de couches N = 50 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
II.4 Noyaux de germanium et arsenic à la traversée de N=50 . . . . . . . . . . . . . 17
80II.5 Le cas Ga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194931
IIILa production de faisceaux radioactifs par méthode ISOL à ALTO 21
III.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
III.2 L’ACcélérateur LINéaire d’électrons : Le LINAC . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
III.3 La fission induite par photons : «la photofission» . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
III.4 L’ensemble cible-source (ECS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
III.4.a La cible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
III.4.b Les sources d’ionisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
III.4.b.i La source d’ionisation à plasma chaud : . . . . . . . . . . . . . 29
III.4.b.ii La source à ionisation de surface : . . . . . . . . . . . . . . . . 30
v
tel-00600335, version 2 - 27 Jun 2011vi TABLE DES MATIÈRES
III.4.b.iiiLa source d’ionisation laser : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
III.5 Le séparateur PARRNe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
IVUtilisation d’une source à ionisation laser à ALTO 35
IV.1 Conditions de saturation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
IV.1.a Choix du schéma de niveaux d’ionisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
IV.1.b Efficacité et sélectivité d’une source d’ionisation laser . . . . . . . . . . . 42
IV.2 Description du système laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
IV.3 Test d’ionisation d’atomes de cuivre stables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
IV.3..i Le four . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
IV.3..ii Système de détection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
IV.3..iii Mesures du faisceau de cuivre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
79;80;82;83;84;85V Expérience de décroissance des noyaux de Ga 53
V.1 Le système de détection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
V.2 Déroulement des mesures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
V.3 Le système d’acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
V.4 Extraction des données . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
V.4.a Etalonnage des détecteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
V.4.b Construction des spectres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
79;80;82;83;84;85V.5 Décroissance des Ga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
V.5.a Masse 79 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
80V.5.b Masse 80 : Décroissance de Ga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654931
V.5.c Masse 82 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
82V.5.c.i Décroissance de Ga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 745131
82V.5.c.ii Décroissance de Ge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 815032
V.5.d Masse 83 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
tel-00600335, version 2 - 27 Jun 2011TABLE DES MATIÈRES vii
V.5.e Masse 84 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
84V.5.e.i Décroissance de Ga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 895331
84V.5.e.ii Décroissance de Ge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 935232
85V.5.f Masse 85 : de Ga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 985431
VIDiscussion 105
VI.1 Isotones pairs-pairs N = 50 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
VI.2 ESPE des isotones N = 51 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
84VI.3 Noyau Ge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1115232
84VI.4 Noyau As . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1165133
VIIConclusion 125
Bibliographie 127
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tel-00600335, version 2 - 27 Jun 2011

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