Détermination de la section efficace de réaction de 27Al(d,p&α) et 17O(p,p) à E<2MeV

Determination of 27Al(d, p&α) and 17O(p, p) reaction cross section at E < 2MeV

• Auteur / Autrice : Marziyeh Salimi
• Direction : Ian Cameron Vickridge, Seyed Farhad Masoudi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 14/03/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université en cotutelle avec K. N. Toosi University of Technology (Tehran, Iran)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des nanosciences de Paris (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Nathalie Moncoffre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mehdi Radin, Martino Trassinelli
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nathalie Moncoffre, Hicham Khodja

Mots clés

Mots clés contrôlés

Van de Graaff, Accélérateurs

Deutérons

Sections efficaces (physique nucléaire)

Mots clés libres

Sections efficaces

17O

IBANDL

Élastique de protons sur le 17O

27Al(d,p)

27Al(d,a)

SIMNRA

Van de Graaff

IBANDL

27Al(d, p&α)

17O(p,p)

Résumé

L’IBA (Ion Beam Analysis) a été largement utilisée pour analyser quantitativement et avec une grande sensibilité la composition et les profils de profondeur des éléments dans les régions superficielles des solides. Pour l’analyse des éléments légers, on peut trouver des réactions nucléaires appropriées et, en particulier, les réactions induites par les deutérons, (d,p) ou (d,α), ont souvent des chaleurs de réaction Q élevées et des sections efficaces appréciables. Dans de nombreux cas de NRA (Nuclear Reaction Analysis) de films minces, des pics isolés de particules de réaction peuvent être obtenus avec un choix judicieux de l’angle de diffusion, de l’énergie du faisceau incident et des feuilles de filtrage devant le détecteur de particules chargées. Cependant, en général, la NRA génère des spectres complexes avec des pics qui se chevauchent, en particulier pour les échantillons épais. La connaissance des sections efficaces pour les cas de pics isolés est déjà utile pour concevoir des expériences visant à déterminer les contenus élémentaires des films minces. De nombreuses sections efficaces de ce type, par exemple 16O(d,p0)17O, 16O(d,p1)17O, 12C(d,p0), 14N(d,α0), ont été soigneusement mesurées dans des gammes d’énergie et d’angle d’intérêt analytique [87–90]. Il est parfois possible d’analyser plusieurs éléments légers simultanément par NRA. La connaissance des sections efficaces des réactions qui ne sont pas nécessairement d’un intérêt primordial pour l’analyse des couches minces, est alors souvent nécessaire pour les cas où les cibles contiennent des éléments donnant lieu à des réactions produisant des groupes de particules qui interfèrent avec le pic analytique primaire, et encore plus dans le cas de la NRA sur cible épaisse où l’élargissement des spectres de particules dû à l’épaisseur non nulle de la cible entraîne une probabilité beaucoup plus grande d’interférences élémentaires [26, 38, 91]. La nécessité de disposer de sections efficaces précises, même lorsqu’elles ne présentent pas un intérêt primordial pour un problème analytique spécifique, ou dans des gammes d’énergie qui ne sont pas directement utiles sur le plan analytique, s’est également accentuée récemment, avec l’introduction du concept d’IBA totale [92–94], dans lequel toutes les informations des spectres IBA [95] sont exploitées, et l’utilisation croissante de l’intelligence artificielle et des approches d’apprentissage automatique pour optimiser l’extraction d’informations de toutes les parties des spectres IBA. Jusqu’à présent, les réseaux neuronaux artificiels (ANN) ont été appliqués au cas de la spectrométrie de rétrodiffusion de Rutherford, où les sections efficaces sont connues analytiquement, mais l’extension fiable de ces techniques avancées de traitement des données à la NRA nécessite les meilleures sections efficaces de réaction nucléaire possibles. En outre, des sections efficaces de réaction nucléaire expérimentale précises sont nécessaires pour fournir des paramètres appropriées pour les approximations et les expressions appropriées des modèles théoriques de mécanismes de réaction nucléaire. L’oxygène étant l’élément le plus abondant de la croûte terrestre et en raison de l’importance universelle des oxydes dans les sciences de la terre et des matériaux, des sections efficaces précises pour les réactions nucléaires sur 16O et 18O ont déjà été déterminées [87, 96]. Le deuxième élément le plus abondant est le silicium, et bien qu’il s’agisse d’un élément de masse intermédiaire du point de vue de l’IBA, il y a également des réactions nucléaires d’intérêt analytique qui ont été déterminées [88, 97]. L’aluminium, troisième élément le plus abondant, est largement utilisé dans l’industrie pour ses propriétés mécaniques et électriques, ses applications décoratives et sa résistance aux agressions environnementales, notamment après une passivation électrochimique appropriée. L’aluminium est également largement présent dans les roches [...]

The overall objective of this thesis is to contribute experimentally determined and evaluated cross sections to a differential cross-section database for Ion Beam Analysis (IBA) that contains accurate and reliable data freely available to the user community, such as the Ion Beam Analysis Nuclear Data Library (IBANDL) database (https://www-nds. iaea.org/exfor/ibandl.htm) [1]. In the first part of the present thesis, we determined differential cross-sections of the reactions 27Al(d, p&α) and benchmarked them with thick target spectra derived from pure aluminum in two independent laboratories. The differential cross section of 27Al(d, p&α) reactions was determined between 1.4 MeV and 2 MeV at scattering angles of 165◦, 150◦, and 135◦ in the VDGT laboratory in Tehran (Iran), as well as measuring them again, including target preparation, at a scattering angle of 150° with independent equipment at INSP in Paris (France). We found close agreement between these two experimental measurements in two different laboratories at 150°. There is no nuclear reaction model that can be adjusted to represent these cross sections since the compound nucleus has a level structure that cannot be treated with current models. We proposed a fitted Fourier series function to represent the evaluated data to define the Al-cross sections. The evaluated differential cross sections have been benchmarked and validated using thick target charged particle spectra obtained using incident deuteron beams of energies between 1.6 MeV and 2 MeV at both laboratories. The validation was performed by fitting deuteroninduced particle spectra obtained from a high purity bulk Al target with SIMNRA, and the thick target spectra are reproduced, allowing the recommendation of the use of these cross sections for NRA. In the second part of the present thesis, the elastic proton scattering cross sections on 17O were measured for the first time at the SAFIR platform at INSP in Paris. Thin films of 17O were prepared by thermal oxidation of Si at 1100 ◦C under 17O2. The physical thickness of the silica was determined by ellipsometry and the atomic thickness by RBS with an uncertainty of 3%. The small quantities of 18O and 16O, present as impurities in the highly enriched 17O2 gas used to grow these films, were determined by the established NRA techniques using the 18O(p, α)15N and 16O(d, p1)17O nuclear reactions. We determined the yield of elastically scattered protons using the corresponding peak in the Elastic Backscattering (EBS) spectra; however, this peak sits on the large continuiiious signal from the silicon substrate. The Si signal was significantly suppressed by aligning the incident beam with the < 100 > axis of the single crystal silicon by ion channeling. The solid angle of the detector, placed at a scattering angle of 165◦, was determined by elastic scattering measurements of 2 MeV alpha particles on a reference sample of Bi implanted in Si. The measured 17O(p, p) cross section, with a systematic uncertainty of about 14%, consists of several resonant structures superimposed on a smoothly varying component increasing ranging from about 1.2 times the Rutherford cross section at 600 keV to about 3 times Rutherford at 2 MeV. A resonance at 1230 keV shows promise for EBS depth profiling, especially at large backscattering angles.