Chapitre. III. La production de noyaux radioactifs riches en neutrons

UNIVERSITE PARIS XI-Orsay
Institut de Physique Nucléaire d'Orsay THESE Présentée pour obtenir Le Grade de Docteur en Sciences de
l'Université Paris XI Spécialité Physique Nucléaire Soutenue publiquement par Faouzi HOSNI Le 21 Octobre 2004 Sujet :
Faisceaux Exotiques par méthode ISOL
Développements pour l'Ionisation par Laser et
l'Ionisation de Surface
Jury
M. Alex C. MUELLER Directeur de thèse
M. Robert FRASCARIA Président
M. Jacques LETTRY Rapporteur
M. Marc HUYSE Rapporteur
M. Dominique GOUTTE
M. David LUNNEY
M. Adel TRABELSI
Remerciements Je voudrais tout d'abord remercier la directrice de l'Institut de Physique
Nucléaire d'Orsay, Dominique Guillemaud-Mueller pour m'avoir accueilli au
sein de ce laboratoire et permis d'effectuer ma thèse dans les meilleures
conditions. Je remercie tous les membres du jury pour avoir accepté de juger cette
thèse et plus particulièrement les deux rapporteurs Marc Huyse et Jacque
Lettry qui ont assuré l'écriture des rapports malgré leur emploi du temps
chargé. Merci à Robert Frascaria pour avoir accepté d'être le président du
jury et merci à tous les autres membres : Dominique Goutte et David Lunney. Je suis très reconnaissant à Adel Trabelsi qui a accepté l'invitation de ma
soutenance malgré ses engagements professionnels ainsi que l'effort qu'il a
fourni afin que je sois attaché au Centre National des Sciences et
Technologies Nucléaires de la Tunisie. Je voudrais exprimer ma plus profonde estime et reconnaissance à Alex C.
Mueller, mon responsable de thèse, pour m'avoir accompagné et encadré lors
de ce travail. Il n'a eu de cesse de me soutenir pendant ces trois ans, de
m'apporter une grande confiance. J'ai énormément apprécié tant ses qualités
humaines que scientifiques et aimé partager un peu de ses connaissances.
Ces reconnaissances vont également à Said Essabaa, pour m'avoir suivi de
prés, pour sa patience et son regard critique, auxquels s'ajoutent ses
grandes compétences techniques et scientifiques. Je tiens également à exprimer ma profonde reconnaissance à Christophe Lau,
pour ses remarques critiques et son aide dans la correction de ce
manuscrit. Je voudrais lui exprimer toute ma gratitude et mon estime pour
ce travail de titan.
Un grand merci à Brigitte Roussiére et François Le Blanc qui ont toujours
été disponibles pour répondre à mes questions en physique ainsi qu'à leurs
conseils perspicaces qui m'ont aidé à bien mener ce travail. Je remercie vivement Robert Gacognolle et Jacques Obert qui ont su, dans
les moments les plus difficiles de la thèse, apporter leur aide afin de
mener à bien la réalisation de mes expériences.
J'exprime ma profonde gratitude à Joel Arianer pour les discussions
fructueuses que j'ai eues avec lui ainsi que pour son aide et ses remarques
avisées. Je remercie tous les membres du groupe des Sources d'Ions, Hervé Croizet,
Michel Ducourtieux, Hervé Leffort, Christophe Vogel, pour leur accueil
sympathique et pour l'environnement de travail qu'ils m'ont offert. Je
remercie particulièrement Jean Claude Potier pour sa grande disponibilité
et sa présence durant mes expériences sur le Séparateur d'Isotopes Hors
Ligne (S.I.H.L). Toute ma reconnaissance est également adressée à l'équipe de physiciens du
projet PARRNe dont j'ai apprécié la disponibilité et la présence pendant
les différentes expériences en ligne (Photofission, ALCA-PARRNe, 81Ga). Je voudrais remercier aussi tous mes amis (ou plutot) mes frères, Mohamed
BENSETTI, Zaatar MAKNI, Maher CHEIK MHAMED, Mohsen JEMAI, Miloud
TAFERGUENIT... la liste est très longue... s'ils ne sont pas la sur ce
papier, ils savent qu'ils sont dans mon c?ur. Enfin je garde une pensée très particulière pour mes parents (Ali et
Janette) sans qui je ne serai arrivé jusque là, merci à ma famille est plus
particulièrement à mes frères Rachid et Nabil , Heithem et Aloulou, Bien
sur à toi ma chère dodo (Hela Diouani) pour ton amour et ton soutient
inconditionnel, ta patience et ta compréhension. Introduction..................................................................
..............................4 Chapitre. I. Développement des faisceaux radioactifs riches en
neutrons par séparation en ligne 7 I.1 La physique avec les faisceaux radioactifs riches en neutrons 7
I.1.1 La Mesure de masses de noyaux riches en neutrons 7
I.1.2 Les effets de couches dans les noyaux 9
I.1.3 L'étude des formes de noyaux par la spectroscopie laser 10
I.1.4 L'astrophysique nucléaire 11
I.1.5 La synthèse des noyaux superlourds 12
I.2 La production des faisceaux d'atomes radioactifs riches en neutrons
13
I.2.1 Mécanisme de la fission 14
Paramètre de fissibilité 14
Chaleur de la réaction de fission 15
Variation de l'énergie potentielle 16
I.2.2 Limite du modèle de la goutte liquide 16
I.3 Les projectiles induisant la fission 17
I.3.1 La fission thermique 17
I.3.2 La fission induite par des neutrons rapides 19
I.3.2.1 Le dispositif PARRNe 20
I.3.2.2 Les productions à PARRNe 2 22
I.3.3 La photofission 23
I.3.4 Etude de l'épaisseur d'une cible d'UCx pour l'exploitation de la
photofission dans la séparation en ligne 31 Chapitre. II. Etude et fabrication des pastilles de carbure d'uranium
34 II.1 Problématique liée au développement de cibles pour la production
d'ions radioactifs séparés en ligne 34
II.2 La diffusion dans une cible de production 35
II.2.1 Diffusion granulaire 36
II.2.2 Désorption 38
II.3 Les cibles d'uranium 39
II.3.1 Paramètres recherchés pour le développement d'une cible
d'uranium 39
II.3.2 Justification de l'utilisation d'un composé réfractaire 40
II.3.3 Caractéristiques des composés réfractaires de l'uranium 40
II.3.4 Propriétés de cible de carbure d'uranium utilisée à l'IPN
d'Orsay 41
II.4 Technique expérimentale de fabrication 41
II.4.1 Procédé de fabrication 41
II.4.2 Appareillage de chauffage 43
II.4.3 Préparation des pastilles 44
II.5 Analyse des pastilles d'UCx 45
II.5.1 Analyse cristallographique des pastilles 45
II.5.2 Analyse des pastilles par le microscope à balayage 47
II.5.3 Principe de la méthode 48
II.5.4 Caractéristique technique du MEB utilisée 48
II.6 Conclusion 53 Chapitre. III. La production de noyaux radioactifs riches en neutrons
54 III.1 Introduction 54
III.2 L'ionisation de surface 55
III.2.1 Description de l'ensemble cible-source à ionisation de surface
56
III.3 La détection 59
III.4 Mesure de la production des isotopes de Rb et Cs. 62
III.4.1 Détermination de la production 62
III.4.2 Les résultats expérimentaux 64
III.5 Mesure des temps de relâchement du Rb et du Cs 67
III.5.1 Mesure indirecte 67
III.5.1.1 Calcul de production des isotopes dans la cible 69
III.5.1.2 Temps de relâchement de Rb et Cs 70
III.5.2 Mesure directe 72
III.5.3 Discussion des résultats 76
III.5.4 Comparaison des rendements de fission relatifs mesurés avec ceux
de la littérature 79
III.6 Conclusion 81 Chapitre. IV. Développement d'une source laser pour la production des
faisceaux d'ions séparés en ligne 83 IV.1 Intérêts de la source laser 83
IV.2 Etude de l'ionisation résonante 84
IV.2.1 L'ionisation résonante à deux photons 86
IV.2.2 Schéma d'ionisation de Sn 89
IV.3 Calcul de l'efficacité d'ionisation 90
IV.4 Développement d'un prototype 91
IV.5 Dispositif expérimental 95
IV.5.1 Les galettes de microcanaux 96
IV.5.2 Le système laser 98
IV.6 Production d'un faisceau de Cs+ 100
IV.6.1 Etalonnage de la source 101
IV.6.2 Essai de la source sur le séparateur SIHL 103
IV.7 Production d'un faisceau de Sn+ 103
IV.7.1 Pression de vapeur de Sn 103
IV.7.2 Mesure de flux de Sn 104
IV.7.3 Estimation du flux total d'atomes 106
IV.7.4 Mesure expérimentale de l'efficacité d'ionisation 108
IV.7.4.1 Séparation isotopique des ions de Sn 110
IV.8 Caractérisation optique du faisceau de Sn+ 111
IV.8.1 La notion d'émittance 111
IV.8.2 Dispositif expérimental pour la mesure d'émittance des faisceau
Cs+ et Sn+ 114
IV.8.3 Procédure de mesure 115
IV.8.4 Les mesures d'émittances 116
IV.8.4.1 Le faisceau de Cs+ produit par la source à ionisation de
surface 116
IV.8.4.2 Emittance du faisceau Sn+ produit par photoionisation 117
IV.8.5 Comparaison des résultats 118
IV.9 Conclusion 119 Chapitre. V. Conclusion et perspectives 120
Introduction
Les études en physique nucléaire ont porté jusqu'à présent sur environ
deux milles cinq cent noyaux radioactifs. Ces noyaux, avec les 263 noyaux
stables constituent le paysage nucléaire actuel. Cependant, ce paysage est
loin d'être complet puisqu'il reste plus de trois milles noyaux radioactifs
à découvrir, en particulier ceux excédentaires en neutrons [Mue 00].
L'étude de ces noya