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

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
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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 . . . . . . . .