Etude de la réaction de capture neutronique radiative pour le noyau instable du ¹⁷³Lu par méthode directe et par réaction de substitution

Study of radiative neutron capture reaction for the unstable nucleus of ¹⁷³Lu by direct method and by surrogate reaction

• Auteur / Autrice : Camille Theroine
• Direction : Vincent Méot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique nucléaire
• Date : Soutenance le 01/02/2013
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Modélisation et Instrumentation en Physique, Energie, Géosciences et Environnement (Orsay, Essonne ; 2010-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Département : Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (Arpajon). Direction des application militaires Île-de-France
• Jury : Président / Présidente : Elias Khan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Méot, Elias Khan, Frank Gunsing, Philippe Dessagne, Jason T. Burke, Vincent Métivier, Olivier Roig
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frank Gunsing, Philippe Dessagne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matrices R

Neutrons -- Capture

Sections efficaces (physique nucléaire)

Mots clés libres

Capture neutronique radiative

Évaluations

Section efficace

Noyau composé

Modèle de réaction

Matrice R

Hauser-Feshbach

Méthode de substitution

Distribution de spin

Radiative neutron capture

Evaluations

Cross section

Compound nucleus

Reaction model

R matrix

Hauser-Feshbach

Surrogate method

Spin distribution

Résumé

L’objectif de ce document est de présenter une étude sur la réaction de capture neutronique radiative du noyau instable du ¹⁷³Lu afin de déterminer sa section efficace (n,γ). Si globalement, pour les noyaux stables de nombreuses informations sont à disposition, il reste un véritable manque de données pour les noyaux radioactifs. La première partie de cette thèse se consacre à la présentation des différents formalismes impliqués dans le calcul d’une section efficace ainsi qu’à l’utilisation du code TALYS basé sur ces différents modèles. TALYS nous a permis d’évaluer la section efficace (n,γ) sur le ¹⁷³Lu en s’appuyant sur la connaissance de la réaction de capture sur le ¹⁷⁵Lu. Dans un deuxième temps, la section efficace (n,γ) sur le ¹⁷³Lu a été mesurée sur l’installation LANSCE avec le détecteur 4π DANCE. Cette expérience s’est révélée être un véritable défi tant pour la fabrication de la cible de ¹⁷³Lu que pour l’obtention de données dû à la grande radioactivité de cet isotope. Nous avons pu extraire des informations intéressantes comme le taux de capture total, identifier et caractériser de nouvelles résonances, déterminer des paramètres comme l’espacement moyen, les largeurs neutroniques et les largeurs γ ainsi que la valeur de la fonction densité. Tous ces nouveaux renseignements nous ont permis de reconstruire la section efficace (n,γ) sur le ¹⁷³Lu jusqu’à 200 eV. Grâce à ces différentes informations, nous avons estimé une correction à appliquer sur la section efficace évaluée par TALYS permettant in fine d’obtenir une nouvelle évaluation de cette quantité. La troisième partie de cette thèse est consacrée à apporter des informations supplémentaires sur la réaction ¹⁷³Lu(n,γ)¹⁷⁴Lu en utilisant la méthode de substitution. En premier lieu, nous avons testé la validité de cette méthode sur une réaction connue : ¹⁷⁵Lu(n,γ)¹⁷⁶Lu avec la réaction ¹⁷⁴Yb(³He,p)¹⁷⁶Lu puis dans un second temps nous avons regardé la réaction ¹⁷³Lu(n,γ)¹⁷⁴Lu avec la réaction ¹⁷⁴Yb(³He,t)¹⁷⁴Lu. Pour cela, la probabilité d’émission γ dans ces deux voies a été mesurée et comparée à un calcul TALYS. Cette comparaison a révélé de grandes disparités entre les réactions de transfert utilisées et les réactions induites par des neutrons. Notre investigation s’est alors orientée à regarder de plus près la distribution de spins du noyau composé formé. Celle-ci a pu être extraite grâce à un ajustement de la probabilité d’émission γ mesurée. Cette distribution montre que les réaction (³He,X) peuplent en réalité des spins beaucoup plus grands que ceux issus de la réaction (n,γ). La mesure des rapports des intensités de transitions γ corroborent aussi ce résultat même si les spins peuplés semblent être plus faibles. Cette expérience a mis clairement en évidence qu’une réaction induite par un faisceau d’³He ne pouvait pas se substituer à une réaction (n,γ). Tout au long de ce document, nous avons montré par différents aspects, à quel point il peut être difficile d’obtenir des informations sur les noyaux radioactifs tels que le ¹⁷³Lu et que pour le futur de nombreux défis tant expérimentaux que théoriques sont encore à relever.

This PhD report presents a study of radiative neutron capture reaction of the ¹⁷³Lu to determine the (n,γ) cross section. Contrary to stable nuclei for which a huge amount of data is available, there is a real lack of information for radioactive nuclei. The first part of this PhD focuses on the presentation of different formalisms involved in cross section calculations and on the use of TALYS code based on these models. TALYS allowed us to evaluate the (n,γ) cross section on ¹⁷³Lu with data from the capture reaction on the ¹⁷⁵Lu. In a second step, the (n,γ) cross section on ¹⁷³Lu was measured at the LANSCE facility with the 4π detector DANCE. This experience turned out to be a real challenge for both the target production of ¹⁷³Lu and for obtaining data due to the high radioactivity of this isotope. Interesting informations have been extracted such as the total capture yield, the identification and the characterization of new resonances, the determination of parameters like average spacing, neutron and γ widths and the value of the density function. All these new informations enabled us to reconstruct the (n,γ) cross section on ¹⁷³Lu up to 200 eV. We could then estimate a correction for the cross section evaluated by TALYS in order to obtain a new evaluation. The third part of this PhD deals with getting additionnal information on the ¹⁷³Lu(n,γ)¹⁷⁴Lu reaction by using the surrogate method. Firstly, this technique has been tested on a well-known reaction : ¹⁷⁵Lu(n,γ)¹⁷⁶Lu with the reaction ¹⁷⁴Yb(³He,p)¹⁷⁶Lu. Secondly, we studied the ¹⁷³Lu(n,γ)¹⁷⁴Lu reaction with the ¹⁷⁴Yb(³He,t)¹⁷⁴Lu reaction. The γ decay probability in different ways have been measured and compared with a TALYS calculation. This comparison showed large discrepancies between the transfer reactions and the reactions induced by neutrons. Then our investigation was focused on the spin distribution of the formed compound nucleus. It has been extracted thanks to a fit of the measured γ decay probability. This distribution has shown (³He,X) reactions populate much higher spins than observed in (n,γ) reactions. The measurement of the γ transitions intensities ratios also corroborates this result even if the mean value of the populated spins seem to be lower. This experiment clearly demonstrated a reaction induced by a ³He beam could not to be substituted to a (n,γ) reaction. Throughout this document, we have shown by different aspects on one hand, how it can be difficult to extract information on unstable nuclei such as ¹⁷³Lu and on the other hand that both experimental and theoretical challenges still remain for the future.