Design, simulations and test of a Time-of-Flight spectrometer for mass measurement of exotic beams from SPIRAL1/SPIRAL2 and gamma-ray spectroscopy of nuclei close to 100Sn

Conception, simulations et test d’un spectromètre de masse à temps de vol dédié à la mesure de masse de faisceaux exotiques de SPIRAL1/SPIRAL2 et spectroscopie gamma de noyaux proches du 100Sn

• Auteur / Autrice : Pierre Chauveau
• Direction : Gilles De France
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2016
• Etablissement(s) : Caen
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale structures, informations, matière et matériaux (Caen ; 1992-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Grand accélérateur national d'ions lourds (Caen)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Normandie Université (2015-....)
• Jury : Président / Présidente : Gilles Ban
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gilles De France, Gilles Ban, Lutz Schweikhard, Araceli Lopez-Martens, Bertram Blank, Pierre Delahaye
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Lutz Schweikhard, Araceli Lopez-Martens

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectrométrie gamma

Sources d'ions

Spectrométrie de masse à temps de vol

Mots clés libres

Mesures de masse

Détecteur électrostatique

Résumé

La nouvelle génération d’installations nucléaires nécessite un renouveau technologique pour produire, accélérer, manipuler et analyser des noyaux exotiques. L’objectif principal de ce travail de thèse était de simuler, concevoir et tester un spectromètre de masse par temps de vol à multi-réflexions (MR-ToF-MS) dédié à la séparation en masse et la mesure de masse rapide d’ions radioactifs auprès des installations S3 et DESIR de SPIRAL2. Ce dispositif pourrait séparer des noyaux isobares et fournir à SPIRAL2 des faisceaux très purs. De plus ses capacités de mesure de masse permettraient de déterminer très précisément l’énergie de liaison de certains noyaux exotiques ou super-lourds. Cet instrument a été simulé à l’aide du logiciel SIMION 8. 1 et conçu en fonction de ces simulations. Les premiers tests hors-lignes ont été faits avec une source d’ions stable au LPC Caen. Ce travail de thèse comprend également la simulation et la conception d’un déflecteur électrostatique censé être utilisé avant ou après le MR-ToF-MS et n’introduisant que peu d’aberrations optiques pour ne pas gâcher les performances de ce dernier. Ce travail décrit aussi l’analyse et les résultats des premiers tests en ligne d’une source d’ions de type FEBIAD censée fournir des faisceaux radioactifs d’intensités compétitives aux installations SPIRAL1 et SPIRAL2. Enfin, nous décrivons l’analyse d’une expérience de physique nucléaire, ce qui inclue la calibration des différents détecteurs et la spectroscopie gamma de noyaux au voisinage du noyau doublement magique 100Sn.

The new generation of nuclear facilities calls for new technological developments to produce, accelerate, manipulate and analyse exotic nuclei. The main topic of this thesis work was the simulation, design and test of a Multi-Reflection Time-of-Flight Mass spectrometer (MR-ToF-MS) for fast mass separation and fast mass measurement of radioactive ions in the installations S3 and DESIR at SPIRAL2. Such a device could separate isobaric nuclei and provide SPIRAL2 with high purity beams. Also, its mass measurement capabilities would help to determine binding energies of exotic and superheavy nuclei with a high precision. This apparatus has been simulated with the SIMION 8. 1 software and designed accordingly. First offline tests have been performed with a stable ion source at LPC Caen. In addition a low-aberration electrostatic deflector has been simulated and designed to operate with this MR-ToF-MS without spoiling its performances. This work also describes the analysis and results of the first online tests of a FEBIAD-type ion source intended to provide SPIRAL1 and SPIRAL2 radioactive beams of competitive intensities. Finally, we describe the analysis of a nuclear physics experiment, including the calibration of the different detectors and the gamma-spectroscopy of nuclei in the vicinity of the doubly magic 100Sn.