Étude des reactions de substitution auprès des anneaux de stockage d'ions lourds

Study of surrogate reactions at heavy-ion storage rings

• Auteur / Autrice : Michele Sguazzin
• Direction : Beatriz Jurado apruzzese
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique, Plasmas, nucléaire
• Date : Soutenance le 28/03/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique des Deux Infinis (Bordeaux ; 2022-....)
• Jury : Président / Présidente : Sara Naimi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François De Oliveira Santos, Marlène Assié, Manfred Grieser
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jonathan Wilson, François De Oliveira Santos

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photopiles

Ultravide

Anneaux de stockage

Faisceaux d'ions radioactifs

Mots clés libres

Faisceaux radioactifs

Anneaux de stockage

Systèmes de détection

Ultravide

Probabilités de desexcitation

Cellules photovoltaiques

Radioactive ion beams

Storage rings

Detection systems

Ultra high vacuum

Decay probabilities

Solar cells

Résumé

Les sections efficaces de réaction induites par des neutrons sur des noyaux instables sont essentielles pour comprendre la synthèse stellaire des éléments chimiques et pour des applications industrielles. Cependant, leur mesure directe est très compliquée en raison de la radioactivité des cibles concernées. Nous proposons de contourner ce problème en utilisant la méthode de substitution en cinématique inverse, où le noyau composé formé dans la réaction induite par neutrons d'intérêt est produit par une réaction alternative ou desubstitution impliquant un faisceau d'ions lourds radioactifs et un noyau cible stable et léger. Les probabilités d’émission de rayons gamma, de neutron et de fission sont mesurées en fonction de l'énergie d'excitation du noyau composé avec la réaction de substitution. Ces probabilités sont particulièrement utiles pour contraindre des quantités fondamentales qui décrivent la désexcitation du noyau composé et améliorer de manière significative les prédictions des sections efficaces associées à la réaction induite par neutrons d’intérêt.Dans la première partie de ce travail de thèse, la première expérience de preuve de principe menée dans le cadre du projet NECTAR (Nuclear rEaCTions At storage Rings) est décrite. Dans cette expérience, une réaction de substitution en cinématique inverse a été étudiée pour la première fois auprès d’un anneau de stockage d'ions lourds, l'anneau de stockage ESR (Experimental Storage Ring) de l'installation GSI/FAIR (Allemagne), où la réaction de diffusion inélastique 208Pb(p,p') a été utilisée comme réaction de substitution de la réaction de capture d’un neutron par le 207Pb. Grâce à notre nouveau dispositif expérimental, nous avons pu mesurer pour la première fois simultanément les probabilités d’émission gamma et de neutrons du noyau composé 208Pb*. Les résultats obtenus nous ont permis de valider notre nouvelle méthodologie et de démontrer les énormes avantages des anneaux de stockage, qui permettent de mesurer l'énergie d'excitation avec une grande résolution et une augmentation spectaculaire des efficacités de détection pour l'émission de rayons gamma et de neutrons. En outre, la comparaison des probabilités mesurées avec le modèle statistique inclut dans le code Talys, nous a permis de mieux comprendre le processus de désexcitation du 208Pb*.Les anneaux de stockage fonctionnent dans des conditions d'ultravide (UHV) (10^-10-10^-11 mbar), un niveau de pression quatre à cinq ordres de grandeur inférieur à celui des expériences standard. Cela impose des contraintes sévères sur les systèmes de détection utilisés dans l'anneau. Pour cette raison, des détecteurs en silicium compatibles avec l’ultravide n'ont commencé à être utilisés que récemment à l’intérieur des anneaux. Dans ce travail, nous proposons une solution complètement nouvelle basée sur l'utilisation de cellules photovoltaïques. Celles-ci représentent une option intéressante pour l'utilisation dans les anneaux de stockage grâce à leur résistance aux radiations. La deuxième partie de cette thèse décrit les études que nous avons réalisées pour étudier la faisabilité de l'utilisation de cellules photovoltaïques pour la détection d'ions lourds dans les anneaux. Nous avons réalisé une expérience à l'installation GANIL (Caen,France) avec un faisceau de 84Kr d'énergies allant de 5 à 15 MeV/u pour étudier la réponse des cellules solaires et leur résistance aux radiations. Nos résultats reflètent les bonnes performances des cellules photovoltaïques en termes de résolution en énergie (environ 1% RMS) et de résolution temporelle (environ 2.5 ns FWHM) ainsi que leur meilleure résistance aux rayonnements par rapport aux détecteurs silicium. En parallèle, nous avons étudié leur compatibilité avec l’ultravide avec notre banc de test TREVO (Test line foR Extreme Vacuum Observations) qui a fourni des résultats très prometteurs, par exemple un taux de dégazage de 5.2 ∙ 10^-13 (mbar∙l)/(s∙cm^2) pour une cellule.

Neutron-induced reaction cross sections of unstable nuclei are essential for understanding the synthesis of heavy elements in stars and for applications in nuclear technology. However, their direct measurement is very complicated due to the radioactivity of the targets involved. We propose to circumvent this problem by using the surrogate reaction method in inverse kinematics, where the compound nucleus formed in the neutron-induced reaction of interest is produced by an alternative or surrogate reaction involving a radioactive heavy-ion beam and a stable, light target nucleus. The probabilities as a function of the compound-nucleus excitation energy for gamma-ray emission, neutron emission and fission, which can be measured with the surrogate reaction, are particularly useful to constrain fundamental model parameters that describe the de-excitation of the compound nucleus and significantly improve the predictions of the neutron-induced reaction cross sections of interest.In the first part of this thesis work, the first proof of principle experiment conducted within the frame of the NECTAR (Nuclear rEaCTions At storage Rings) project is described. In this experiment, a surrogate reaction in inverse kinematics was combined for the first time with the unique possibilities at heavy-ion storage rings. This measurement took place at the Experimental storage ring (ESR) of the GSI/FAIR facility (Germany), where the inelastic scattering 208Pb(p,p’) reaction was used as a surrogate reaction for the neutron-capture reaction of 207Pb. With our new experimental set-up we were able to simultaneously measure for the first time both the gamma- and neutron-emission decay probabilities of the compound nucleus 208Pb*. The obtained results allowed us to validate our new methodology and demonstrate the significant advantages of storage rings, which enable the measurement of the excitation energy with high precision and a dramatic increase of the detection efficiencies for gamma-ray and neutron emission. In addition, the comparison of the measured probabilities with the statistical model implemented in the Talys code has allowed us to gain insight into the de-excitation process of 208Pb*.Storage rings are operated in ultra-high vacuum (UHV) conditions (10^-10-10^-11 mbar), a pressure level four to five orders of magnitude lower than in standard experiments. This sets severe constrains for in-ring detection systems. For this reason, UHV-compatible silicon detectors have started to be used for in-ring experiments only recently. In this work, we propose a completely new solution based on the use of solar cells, which represent an interesting option for the use in storage rings thanks to their radiation hardness. The second part of this thesis describes the studies we have performed to study the feasibility of using solar cells for the in-ring detection of heavy ions. We performed an experiment at GANIL facility (Caen, France) with a 84Kr beam of energies ranging from 5 to 15 MeV/u to investigate the response of solar cells and their radiation resistance. Our results reflect the good performances of solar cells in terms of energy resolution (about 1 % RMS) and time resolution (about 2.5 ns FWHM) and their larger radiation resistance compared to silicon detectors. In parallel, we studied their UHV compatibility with our test bench TREVO (Test line foR Extreme Vacuum Observations), which has provided very promising results, e.g. a low outgassing rate of 5,2 ∙ 10^-13 (mbar∙l)/(s∙cm2) for an individual cell.