Préparation des expériences de mesures de masses de grande précision avec le spectromètre de masse à base de pièges à ions MLLTRAP à ALTO

Preparation of high-precision mass measurements with the double Penning trap mass spectrometer MLLTRAP at ALTO

• Auteur / Autrice : Elodie Morin
• Direction : Enrique Minaya Ramirez, Araceli Lopez-Martens
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Structure et réactions nucléaires
• Date : Soutenance le 09/12/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulat
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des deux infinis Irène Joliot-Curie (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Elias Khan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bertram Blank, Xavier Fléchard, Pierre Delahaye, Barbara Sulignano
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bertram Blank, Xavier Fléchard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Faisceaux d'ions radioactifs

Énergie de liaison

Masse atomique

Ions piégés

Spectrométrie de masse

Structure nucléaire

Mots clés libres

Pièges de Penning

Manipulation de faisceaux

Mesures de masses

RFQCB

Structure nucléaire

Penning traps

Nuclear structure

RFQCB

Beam manipulation

Mass measurements

Résumé

Les masses nucléaires sont une des propriétés primordiales dans la compréhension de la structure du noyau atomique. Elles sont aussi importantes pour les calculs en astrophysique nucléaire simulant les processus de nucléosynthèse. De grandes précisions sur les masses sont cependant requises pour que celles-ci soient utiles à l'étude de la structure nucléaire et de l'astrophysique nucléaire. Les pièges de Penning sont de performants outils pour effectuer des mesures de grande précision. Le principe de fonctionnement d'un piège de Penning est basé sur la superposition d'un champ magnétique et d'un champ électrostatique pour confiner des ions dans les trois dimensions de l'espace. Le spectromètre de masse à base de pièges de Penning MLLTRAP est en cours d'installation dans la plateforme de recherche ALTO à IJCLab à Orsay. Son premier objectif sera la mesure de masses d'isotopes d'argent autour de la fermeture de couche N = 82 . Dans le cadre de la mise en service de MLLTRAP à ALTO, différents développements ont été effectués dans le but de faire de MLLTRAP un instrument de pointe avant son installation dans le hall DESIR au GANIL à Caen. Ces derniers concernent notamment l'implémentation de la récente méthode de détection PI-ICR et du contrôle et commande associé. Cette méthode est basée sur la projection du mouvement des ions piégés dans le plan transverse et nécessite un système de détection à la fois sensible et rapide. Des sources d'ions stables d'alcalins mono-chargés (¹³³Cs⁺ et ⁸⁵⁻⁸⁷Rb⁺) ont aussi été conçues pour la mise en service de l'expérience et la calibration du champ magnétique dans les pièges de Penning. Dans le cadre des collaborations entre le GSI et l'IN2P3, une collaboration scientifique et technique entre l'expérience MLLTRAP et l'expérience SHIPTRAP a été mise en place. L'expérience SHIPTRAP est installée au GSI, à Darmstadt en Allemagne et est similaire à MLLTRAP. Les deux expériences réalisent des travaux de recherche et développement complémentaires tels que l'implémentation du PI-ICR à MLLTRAP, par exemple. Des données acquises lors de la préparation de la campagne expérimentale sur des isotopes super-lourds à SHIPTRAP en 2021 ont été analysées conjointement avec l'équipe de SHIPTRAP. Les isotopes analysés appartiennent à des chaînes de décroissance α, Fr-At-Bi, autour de A = 200. Leurs états fondamentaux ainsi que leurs états excités ont été observés et leur masses mesurées. Ces mesures ont permis de déterminer les énergies des états excités, encore inconnues dans le cas de la chaîne ²⁰⁶Fr-²⁰²At-¹⁹⁸Bi.

Nuclear masses are one of the essential properties for atomic nuclei structure understanding. They are also important for nuclear astrophysics calculations which model nucleosynthesis processes. High precision are however needed on the masses to be usefull for nuclear structure and nuclear astrophysics studies. Penning traps are high-performance tools for high precision measurements. The principle of Penning traps is based on superimposing a magnetic field and an electrostatic field to confine ions in the 3-dimensional space. The double Penning trap mass spectrometer MLLTRAP is being installed at the ALTO research facility at IJCLab at Orsay. Its first purpose will be the mass measurement of silver isotopes around N = 82 shell closure. Within the scope of MLLTRAP commisionning at ALTO, some developments have been made in order to maintain MLLTRAP as a state-of-the-art instrument before its installation in the DESIR hall at GANIL at Caen. The latter concern the implementation of the novel PI-ICR method and its associated control system. This method is based on the trapped ions' motion projection in the transverse plane and requires a sensitive and fast detection system. Mono-charged alkalin stable ion sources (¹³³Cs⁺ et ⁸⁵⁻⁸⁷Rb⁺) were also developped to perform the experiment commisionning and calibrate the magnetic field inside the Penning traps. In the framework of GSI-IN2P3 collaborations, a scientific and technical collaboration between MLLTRAP and SHIPTRAP experiments have been set up. SHIPTRAP is installed at GSI, at Darmstadt in Germany and is similar to MLLTRAP. The two experiments perform complemetary research and development activities as PI-ICR implementation at MLLTRAP, for example. Data acquired during the preparation of the experimental campaign on super-heavy isotopes at SHIPTRAP in 2021 have been analysed together with SHIPTRAP team members. The analysed isotopes belong to Fr-At-Bi α-decay chains around A = 200 . Their ground states as well as their excited states have been observed and their masses measured. These measurements allowed to determine excited states energies, still unknown up to now in ²⁰⁶Fr-²⁰²At-¹⁹⁸Bi case.