Etudes du transport, de la préparation et des mesures de masses des faisceaux radioactifs de basse énergie produits par photofission à ALTO

Studies of beams transport, preparation and mass measurement of low energy radioactive ions beam produced by photofission at ALTO

• Auteur / Autrice : Sophie Morard
• Direction : Araceli Lopez-Martens
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique des accélérateurs
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulat
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique des deux Infinis Irène Joliot-Curie
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Physique des accélérateurs

Physique nucléaire

Noyaux radioactifs

Dynamique faisceau

Instrumentation faisceau

Pièges à ions

Accelerators Physics

Nuclear Physics

Radioactive nuclei

Beam dynamics

Beam instrumentation

Ions trap

Résumé

La production des faisceaux radioactifs de basse énergie est étroitement liée au transport le long des lignes de transfert et de leur préparation. En effet, pour garantir des taux de production élevés, une bonne sélectivité et un transport optimisé des faisceaux radioactifs vers les dispositifs expérimentaux sont requis. Il est crucial de maîtriser l'efficacité de transmission dès la production jusqu'au dernier détecteur dédié à la mesure de l'observable désirée. Pour atteindre cet objectif, il faut fiabiliser les instruments de transport et de préparation en fonction des caractéristiques des faisceaux produits à la source. Cela implique de mesurer à l'aide de diagnostics précis l'évolution de l'émittance du faisceau de basse énergie. A partir des études de l'évolution de l'émittance, les dispositifs de transport et de préparation sont à améliorer et à optimiser pour produire des faisceaux de basse énergie avec une faible émittance, une faible dispersion en énergie et avec peu de contaminants. En physique nucléaire, les faisceaux de basse énergie correspondent à des énergies inférieures à 60 keV. Ces énergies sont par exemple nécessaires pour la spectroscopie laser. Des mesures de précisions à l'aide de pièges à ions requièrent des énergies encore plus faibles, de l'ordre du keV ou de la centaine d'eV. Par ailleurs, pour manipuler des ions radioactifs afin de mesurer une observable physique avec une grande précision, il est nécessaire d'avoir des faisceaux de basse énergie pulsés. Ces besoins rejoignent l'étude précise des transports de basse énergie notamment pour la partie de préparation. Au cours des dernières décennies, l'étude des noyaux exotiques riches en neutrons a été un sujet majeur d'investigations en physique nucléaire, et les observations ont eu un impact aussi bien dans les études de structure nucléaire qu'en astrophysique nucléaire. L'IJCLab a soutenu la mise en service en ligne de deux expériences de précision auprès de la plateforme de recherche ALTO : le spectromètre de masse à base de pièges de Penning (PT-MS) MLLTRAP (construit au laboratoire Maier-Leibnitzen Allemagne) et LINO (Laser Induced Nuclear Orientation) pour la spectroscopie laser. Les PT-MS ont démontré qu'ils constituaient un outil unique, et sans égal, pour des mesures de masse de grande précision. Les connaissances acquises lors de la mise en service de MLLTRAP à Orsay sont fondamentales pour les expériences futures en cours de développement auprès de DESIR au GANIL-SPIRAL2. Le succès de l'objectif principal de MLLTRAP est étroitement lié à la mise en place d'une ligne de transport de faisceau de basse énergie et à la mise en service en ligne d'un système de refroidissement et de regroupement par radiofréquence (RFQCB), indispensable pour injecter les ions produits par photofission à ALTO vers MLLTRAP. Le RFQCB est donc un instrument essentiel pour réduire l'émittance des faisceaux radioactifs de basse énergie et diminuer leur dispersion en énergie. Il est donc un outil clé pour l'étude proposée pour cette thèse. En physique nucléaire, la masse, le spin, la probabilité de transition ou encore la multipolarité sont des observables dont des mesures avec une grande précision sont essentielles. Le PT-MS MLLTRAP, dédié aux mesures de masse de grande précision, permet également indirectement de mesurer les caractéristiques d'énergie du faisceau de basse énergie.

The production of low energy radioactive beams is connected to the transport and preparation steps. Indeed, to guarantee high production rates, a good selectivity and an optimized transport of the radioactive beams to the experimental devices are required. It is crucial to manage the transmission efficiency from the production up to the last detector involved in the measurement of the observable of interest. To achieve this objective, the beam particle transport and preparation instruments must be reliable according to the beam characteristics produced at source. That implies measuring the evolution of the emittance of the low-energy beam using precise diagnostics. From the beam transport studies, the characterization and preparation devices need to be improved and optimized in order to produce low energy beams with low emittance, low energy dispersion and with few contaminants. In nuclear physics, low energy beams correspond to energies below 60 keV. These energies are, for example, required for laser collinear spectroscopy. Precision measurements using ion traps require even lower energies, in the order of keV or hundreds of eV. Furthermore, to manipulate radioactive ions in order to measure a physical observable with great precision, it is mandatory to have pulsed low-energy beams. These requirements are connected with the precise study of low-energy transport, in particular for the preparation step. During the last decades, the study of exotic neutron-rich nuclei has been a major subject of investigation in nuclear physics, and the observations have had an impact in both nuclear structure studies and nuclear astrophysics. IJCLab supported the online commissioning of two precision experiments at the ALTO research platform: the Penning Trap Mass Spectrometer (PT-MS) MLLTRAP (built at the Maier-Leibnitzen Germany laboratory) and LINO (Laser Induced Nuclear Orientation) for laser spectroscopy. PT-MS have proven to be a unique and unrivaled tool for high precision mass measurements. The knowledge acquired during the commissioning of MLLTRAP at Orsay is crucial for future experiments developed in the framework of DESIR at GANIL-SPIRAL2. The success of the main objective of MLLTRAP is linked to the establishment of a low energy beam transport line and the online commissioning of a RFQCB, essential for injecting the ions produced by photofission at ALTO to MLLTRAP. The RFQCB is therefore a crucial instrument for reducing the emittance of low-energy radioactive beams and reducing their energy dispersion. It is therefore a key tool for the study proposed for this subject. In nuclear physics, mass, spin, transition probability and multipolarity are observables where high precision measurements are essential. The PT-MS MLLTRAP, dedicated to high precision mass measurements, also indirectly allows the measurement of the energy characteristics of the low energy beam.