Excitations nucléaires dans les plasmas : le cas du 84m Rb

par David Denis-Petit

Thèse de doctorat en Astrophysique, plasmas, nucléaire

Sous la direction de Fazia Hannachi.

Soutenue le 28-11-2014

à Bordeaux , dans le cadre de École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde) , en partenariat avec Université Bordeaux-I (1971-2013) (Etablissement d'accueil) et de Centre d'études nucléaires Bordeaux Gradignan (laboratoire) .

Le président du jury était Patrick Audebert.

Le jury était composé de Mehdi Tarisien, Bertram Blank, Gilbert Gosselin, Florin Negoita.

Les rapporteurs étaient Christophe Blancard, Araceli Lopez-Martens.


  • Résumé

    Ce travail, à la fois expérimental et théorique, présente l’étude d’un processus d’excitation nucléaire, appelé NEET (Nuclear Excitation by Electron Transition), faisant intervenir un cou-plage entre le noyau et le cortège électronique. Dans celui-ci, une désexcitation électronique peut induire une excitation nucléaire si les transitions nucléaire et atomique sont résonantes et ont la même multipolarité. Le noyau de84Rbest un bon candidat pour mettre en évidence ce processus dans un plasma créé par laser car il possède une transition de basse énergie (environ 3 keV) entre l’état isomérique (Jπ= 6−,T1/2= 20,26min) et l’état Jπ= 5−(T1/2= 9ns). Afin d’évaluer un taux d’excitation par effet NEET, il est nécessaire de décrire les états atomiques dans un plasma et de caractériser précisément la transition nucléaire.Afin d’obtenir une description précise des états atomiques dans un plasma, une méthode de calcul de structure atomique a été développée. Cette méthode est basée sur le code de physique atomique MCDF (Multi-Configuration Dirac-Fock) et emploie une technique de sélection des configurations électroniques les plus probables en tenant compte des propriétés du plasma. Cette méthode de calcul a été validée par l’interprétation d’un spectre X émis par un plasma de Rb produit avec le laser PHELIX du GSI à une intensité de6×1014W/cm2.L’énergie de la transition nucléaire entre les états6−et5−n’était pas connue avec une précision suffisante (∼200eV) pour une évaluation précise du taux d’excitation par effet NEET.Deux expériences de spectroscopie γ ont alors été réalisées auprès des accélérateurs ELSA duCEA/DAM/DIF et Tandem de l’IPN d’Orsay. Elles ont permis d’améliorer de plus d’un ordre de grandeur la précision sur l’énergie de cette transition.A l’issue de ce travail, une évaluation du taux d’excitation par effet NEET dans un plasma a été réalisée afin de dimensionner une expérience. D’après celle-ci, le plasma doit avoir une température suffisamment élevée (de l’ordre de 400 eV) afin d’obtenir un nombre d’isomères excités suffisant pour être détectés.

  • Titre traduit

    Nuclear excitations in plasmas : the case of 84m Rb


  • Résumé

    This experimental and theoretical work deals with the Nuclear Excitation by Electron Tran-sition (NEET) process which involves a coupling between the nucleus and its electron cloud. In this process, an electron de-excitation can induce a nuclear excitation if the atomic and nuclear transitions are resonant and have the same multipolarity. This process could be observed in a laser created plasma of 84Rb because this nucleus has a low energy transition (around 3 keV) between the isomeric state (Jπ= 6−,T1/2= 20,26m) and theJπ= 5−(T1/2= 9ns) state. To evaluate a NEET excitation rate, the atomic states in plasma must be described and the nuclear transition must be precisely characterised.To describe the atomic states in plasma, a method based on a MCDF (Multi-ConfigurationDirac-Fock) code was developed. This one uses a procedure to select the most probable atomic configurations according to the plasma properties. This method was checked by the interpretation of a X-rays spectrum emitted by a Rb plasma. This plasma was produced by the PHELIXlaser of the GSI laboratory at an intensity of6×1014W/cm2.The energy of the nuclear transition between the states6−and5−was not accurate enough for the NEET rate evaluation. Twoγ-rays spectroscopy experiments were conducted at the ELSA accelerator from CEA/DAM/DIF and at the Tandem accelerator from the Orsay laboratory. The accuracy of the nuclear transition energy was improved of more than one order of magnitude. In this work, the NEET rate was evaluated to predict an experiment. The Rb plasma must have a high temperature (around 400 eV) to obtain a sufficient number of excited isomers and therefore to make possible the detection.


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