Development of a new surface ion-source and ion guide in the ALTO project

par Phan Viet Cuong

Thèse de doctorat en Physique nucléaire

Sous la direction de Fadi Ibrahim et de Tran Duc Thiep.

Soutenue en 2009

à Paris 11 , en partenariat avec Université de Paris-Sud. Faculté des Sciences d'Orsay (Essonne) (autre partenaire) .

  • Titre traduit

    Développement de sources d'ionisation de nouvelle surface et guide d'ions au projet ALTO


  • Résumé

    Pour le projet ALTO à l'IPN d'Orsay, comme pour d'autres laboratoires qui exploitent la technique ISOL pour produire des faisceaux radioactifs intenses et purs, il est crucial, lorsque des isotopes de courte durée de vie sont produits dans des cibles épaisses, de réaliser des cibles et des sources d'ions avec des bonnes propriétés de sortie et de haute efficacité. Ainsi les études de R&D sur les cibles et les sources d'ions sont très importantes pour l'optimisation de la production, la sélectivité et la sortie des isotopes d'intérêt. Ces études sont aussi nécessaires vers les futurs installations transnationales de recherche en physique nucléaire SPIRAL-2 et EURISOL. Le travail présent est consacré à la production d'isotopes de gallium riches en neutrons par la technique de cible épaisse ISOL reposant sur la photo-fission et l'ionisation de surface. Nous visons à l'étude de la structure nucléaire du 82,83,84Ge grâce à la désintegration bêta du 82,83,84Ga. Dans ce but, nous nous concentrons sur le développement d'une nouvelle source d'ionisation de surface faite de matériaux à haute fonction de travail comme le Re et l'Ir. Un code C++ a été construit pour simuler l'efficacité d'ionisation de la source pour des surfaces différentes (des matériaux différents et des dimensions différentes) et le résultat a été comparé avec une base de données expérimentales du CERN. Le code peut être utilisé pour optimiser les dimensions de la source d'ions dans des agencements futurs. En même temps nous avons réalisé une expérience d'essai afin de mesurer l'efficacité d'ionisation du gallium dans des cavités de Re et Ir-Re. D'autre part, pour les études de structure nucléaire d'éléments réfractaires, comme le cobalt ou le nickel, pour lesquels on s'attend à ce qu'ils révèlent un trésor d'informations de structure intéressantes, la technique ISOL à cible épaisse n'est plus appropriée. En effet, le point de fusion élevé de ces éléments fait qu'ils se volatilisent et se libèrent difficilement d'une cible épaisse. Alors une technique basée sur des cibles minces s'avère nécessaire et le guide d'ions à laser, basé sur une cellule à gaz pour thermaliser, neutraliser et arrêter les produits de réaction reculants suivie d'une ionisation résonnante laser pour les re-ioniser sélectivement, semble un bon choix. Cependant, afin de déterminer si la technique convient pour ALTO, nous devons répondre à la question quant au taux d'ionisation du gaz tampon par le faisceau primaire ainsi que les charges secondaires? Autrement dit, quel est le taux de production de paires ion-électron dans la cellule à gaz? En effet, un taux d'ionisation trop grand empêche l'extraction efficace des ions d'intérêt du guide d'ions à laser. Pour répondre à cette question, nous avons construit un code basé sur Geant-4 pour simuler l'ionisation du gaz tampon. En outre, dans un mouvement vers le projet SPIRAL-2 au GANIL, où la fission de l'238U sera induite par des neutrons produits dans un convertisseur carbonique depuis un faisceau de deutons, nous avons écrit un code Geant-4 pour simuler la production de neutrons, la fission induite par neutron et le dépôt d'énergie dans une cellule à gaz de dimensions semblables à la cellule proposée pour ALTO.


  • Pas de résumé disponible.


  • Résumé

    At the ALTO project of IPN Orsay, as at many others using the ISOL technique for production of intense and pure radioactive beam (RIB), it is crucial, when short-lived isotopes are produced in thick targets, to realize target and ion-source systems with good release properties and high efficiency. Therefore, R & D studies on target and ion source are very important for optimization of the production, selectivity and release of the isotopes of interest. These studies are also needed towards the future SPIRAL-2 and EURISOL nuclear physics facilities. The present work is dedicated to the production of neutron-rich gallium isotopes by the ISOL thick-target technique using photo-fission and a surface ion source. We aim at the study of the structure 82,83,84Ge50,51,52 via the -decay of 82,83,84Ga51,52,53. By this purpose, we focus on the development of a new surface ion-source made from high working function like Rh and Ir. The code written by C++ has been built to simulate the ionization efficiency of different surface ion-source (different materials and dimensions), the result of which was compared with experimental data from CERN. The code can be used to optimize ion source dimensions in future designs. Also, we have performed a test experiment to measure the ionization efficiency of the Rh and Ir-coated Rh for gallium. On the other hand, for future nuclear structure studies of refractory elements such as cobalt or nickel (atomic number Z=27 and 28 respectively), of which it is expected that they may reveal much interesting structure information, the ISOL technique with a thick target is no longer suitable. Indeed, the high melting point of these elements makes it difficult to volatilize as well as release them from a thick target. For such a situation, a technique based on thin targets is needed and the laser ion guide based on a gas cell to thermalize, neutralize and stop the recoiling nuclear reaction products combined with a laser beam to re-ionize them selectively, seems a good choice. However, in order to know whether the technique is fit for ALTO, we need to answer the question as to what the ionization rate is of the buffer gas by the primary electron beam and secondary charges? In other words, what is the ion-electron pair production rate in the gas cell? This is most important since the ionization rate negatively affects the extraction efficiency of the laser ion guide whenever it becomes bigger than 1010. To answer this question, we built a code based on the Geant-4 toolkit to simulate the ionization of the buffer gas. Furthermore, in a move towards the SPIRAL-2 project at GANIL where fission of 238U will be induced by neutrons produced in a carbon converter from a deuteron beam, we also wrote a Geant-4 code to simulate the production of neutrons, the neutron-induced fission and the energy deposit in a gas cell of similar dimensions as the proposed gas cell for ALTO. We likewise performed a simulation for the gas cell at Leuven to compare with published results.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (141 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 137-141

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  • Bibliothèque : Université Paris-Sud (Orsay, Essonne). Service Commun de la Documentation. Section Sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 0g ORSAY(2009)330
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