Spectroscopie laser des éléments super lourds

Super heavy element laser spectrοscοpy

• Auteur / Autrice : Alexandre Brizard
• Direction : Hervé Savajols
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 29/10/2025
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement co-accrédité : Université de Caen Normandie (1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Grand accélérateur national d'ions lourds (Caen)
• Jury : Président / Présidente : Francesca Gulminelli
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Agi Koszorus, Iain Moore, Sebastian Raeder, Julia Even, Nathalie Lecesne, Philippos Papadakis
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Agi Koszorus, Iain Moore
• DOI : 10.70675/18f99cd4z9f90z4d21zb8b2zf3199de02d27

Mots clés

Mots clés contrôlés

Physique nucléaire

Spectroscopie atomique

Éléments superlourds

Ions lourds

Mots clés libres

Physique des accélérateurs

Nuclear physics

Atomic spectroscopy

Super Heavy Elements

Accelerator physics

Résumé

La spectroscopie par ionisation résonante (RIS) explore la structure atomique via l’ionisation laser en plusieurs étapes d’atomes neutralisés.Réalisée dans un jet de gaz hypersonique, la précision de cette technique est améliorée grâce à la réduction de l’élargissement spectral due àl’effet Doppler et à la pression. Au plan focal du séparateur S3 du GANIL, la ligne basse énergie de S3 (S3-LEB) réalisera une RIS dans un jetde gaz afin d’accéder aux propriétés fondamentales des noyaux exotiques, tout en extrayant les ions du volume d’arrêt via un flux de gaz.Cette technique hautement sélective produira des faisceaux purs pour des mesures supplémentaires, parmi lesquelles des mesures de massepar un spectromètre de masse à temps de vol à réflexions multiples (MR-ToF-MS). Derrière le filtre de vitesse SHIP au GSI, RADRIS et JetRISpeuvent effectuer des RIS sur des noyaux super lourds comme le nobélium. RADRIS tire parti d’une grande efficacité et d’une grandecapacité de balayage spectral pour étudier la structure électronique des éléments plus lourds, tandis que JetRIS utilise le guidage des ions etla neutralisation par un filament pour injecter les produits de fusion dans un jet de gaz. Les photoions sont étudiés à l’aide d’un détecteuralpha pour une détection efficace avec un faible bruit de fond. Les améliorations futures de JetRIS prévoient un MR-ToF-MS, qui permet ladétection d’ions sélectionnés en fonction de leur masse, donnant accès à des nucléides à longue durée de vie ainsi qu’à des nucléidesémetteurs bêta.Dans cette thèse, les principes fondamentaux de la technique RIS sont présentés, ainsi que la physique nucléaire en jeu dans le domaine deséléments super lourds. Les résultats de la spectroscopie laser sur plusieurs isotopes de l’erbium sont discutés, car ils donnent un aperçu dela tendance des rayons de charge quadratiques moyens pour cet élément. Après une campagne hors ligne ayant conduit à des modificationstechniques de la configuration JetRIS, la structure nucléaire d’un isomère du nobélium est étudiée à l’aide de la spectroscopie laser à hauterésolution et à extraction rapide avec JetRIS. Enfin, les travaux de simulation sur l’empaqueteur d’ions pour S3-LEB et JetRIS sont présentés,ainsi que le système d’empaquetage conçu pour le dispositif JetRIS.

Resonance Ionization Spectroscopy (RIS) probes the atomic structure via multiple step laser ionization of neutralised atoms. Performed in ahypersonic gas jet, the precision of this technique is improved due to reduced Doppler and pressure broadening. At the focal plane of the S3separator in GANIL, S3-Low Energy Branch (S3-LEB) will perform in-gas-jet RIS to access fundamental properties of exotic nuclei, whileextracting the ions from the stopping volume via gas flow. This highly selective technique will produce pure beams for furthermeasurements, among which mass measurements by a Multi-Reflection Time-Of-Flight Mass Spectrometer (MR-ToF-MS). Behind the SHIPvelocity filter at GSI, RADRIS and JetRIS can perform in beam RIS on superheavy nuclei like nobelium. RADRIS makes benefit of a highefficiency and large spectral scanning ability to investigate the electronic structure of heavier elements, while JetRIS uses ion guiding andfilament neutralization to inject the fusion products into a gas jet. The photoions are studied using an alpha detector for efficient detectionwith low background. Future improvements at JetRIS foresee an MR-ToF-MS, which allows for mass-selected ion detection, giving access tolong-lived as well as beta-decaying nuclides.In this thesis, the basics of the RIS technique are presented along with the nuclear physics at stake in the superheavy elements domain.Laser spectroscopy results on several isotopes of erbium are discussed as they give an insight on the trend of mean-square charge radii forthis element. After an offline campaign leading to technical modifications to the JetRIS setup, the nuclear structure of an isomer ofnobelium is investigated using high resolution, fast extraction laser spectroscopy with JetRIS. Finally, simulation work on the RFQ coolerbuncher for both S3-LEB and JetRIS is exposed, along with the bunching system designed for the JetRIS setup.