CE31 - Physique Subatomique, Sciences de l'Univers, Structure et Histoire de la Terre

Target Ion Source for Short-Lived Ion Production – TULIP

TULIP : Target Ion Sources for Short-Lived Ion Production

The study of exotic nuclei is one of the main avenues of research with a high potential for discoveries worldwide. The TULIP project aims to enhance near-term nuclear physics research possibilities by creating unique radioactive ion beams (RIB) for ambitious subatomic experiments at the national flagship facility SPIRAL based at the Grand Accélérateur National d’Ions Lourds (GANIL) in Caen.

Speed and efficiency for exotic short-lived radioactive ion beams

Speed and efficiency are of the essence and must be tweaked to first produce short-lived (tens of milliseconds) alkali RIB before moving to the ultimate goal of metallic RIB in the region of 100Sn. These target-ion sources are designed to operate in extreme environments, and rely on materials able to withstand the effects of high temperatures and high doses. A knowledgeable mix of both robust and innovative technologies is used to explore RIB production through fusion-evaporation nuclear reactions.

Innovative nano-technology materials, extreme environment target developments and internal functions are developed and tested offline in test-bench experiments at GANIL. The final systems are then tested online, using the primary beams of the ALTO platform at IJCLab (Orsay), where alkali and metallic ions are produced in fusion-evaporation experiments. Each aspect of the project: nuclear reactions, targets, cavity materials, thermal, electrical and mechanical technologies are individually addressed and fine-tuned in a multi-parameter experimental program.

Nuclear fusion-evaporation experiments have been carried out successfully on the ALTO platform and the production rate of several radioactive isotopes of interest quantified. Irradiation experiments, allowing to characterize material behavior through implant-release measurements have given new and encouraging results on the use of nano-materials in these hostile environments. Offline test-bench studies have provided first proof-of-principle fast ion extraction, in line with the project aims for short-lived ion beam extraction.

The fast response nature of these target-ion sources could allow near-term ambitious fundamental research at SPIRAL1/GANIL, as an preliminary step to the challenges of experiments with very exotic ions at SPIRAL2/DESIR where high efficiency is a pre-requisite for successful observations.

...coming soon

L'étude des noyaux exotiques, ou systèmes nucléaires de courtes durée de vie, est l’une des principales voies de la physique moderne qui présente un fort potentiel de découverte. La production de ces systèmes, sous la forme d’ions, est un prérequis à l’amélioration de notre compréhension du monde subatomique. Le cap national pour la production de faisceaux d’ions radioactifs est donné par l’installation SPIRAL et la feuille de route SPIRAL2 ESFRI, basé au Grand Accélérateur National d’Ions Lourds (GANIL) à Caen [1]. Le projet TuLIP de système de cible-source pour la production d’isotopes de courte durée de vie vise une extension à moyen-terme des possibilités de recherche en physique nucléaire par la production de faisceaux d’ions radioactifs uniques qui permettront de réaliser des expériences ambitieuses de physique subatomique à GANIL.

Cet effort effectué au sein d’une collaboration entre GANIL et l’Institut de Physique Nucléaire d’Orsay (IPNO) utilisera les réactions nucléaires de fusion-évaporation à l’intérieur d’un ensemble cible-source équipé d’un matériau innovant nano-structuré spécifiquement développé pour la recherche en physique nucléaire. Les tests en ligne des développements conjoints seront réalisés à l’aide des faisceaux accélérés de l’installation ALTO [2] située à l’IPN d'Orsay. C’est un projet à court-terme, complémentaire aux développements de SPIRAL en cours et qui pourrait fournir un tremplin important au lancement d’un programme de recherche emblématique dédié à la primo observation de noyaux exotiques.

Le premier prototype pourrait permettre la post-accélération de faisceaux d’ions radioactifs alcalins pour la réalisation d’expériences à l’échéance de 2021. Le succès d’un second prototype pourrait permettre celle d’expériences avec des faisceaux d’ions métalliques de basse énergie à l’échéance de 2023. L’ionisation laser sera étudiée à ALTO en 2020 pour explorer la production d’ions métalliques avec le premier prototype. Tous les aspects de ce travail seront d’accès libre via publications dans des revues spécialisées. Ils devraient bénéficier à une large communauté de physiciens et stimuler des possibilités d’expériences de physique uniques.

L’une des régions les plus prometteuses pour la physique est celle du noyau de 100Sn. Ce noyau, composé de 50 protons et de 50 neutrons est le plus exotique des noyaux symétriques doublement magique qui peuvent être créés. Nous visons la production d’ions radioactifs métalliques de courte durée de vie autour de ce noyau, et l’atteinte de son voisinage sera notre indicateur de succès.

[1] pro.ganil-spiral2.eu/spiral2
[2]http://ipnwww.in2p3.fr/installation-ALTO, ENSAR2 EU HORIZON2020, contrat n°654002

Project coordinator

Madame Marion MacCormick (Institut de Physique Nucléaire d'Orsay)

The author of this summary is the project coordinator, who is responsible for the content of this summary. The ANR declines any responsibility as for its contents.

Partner

IPNO Institut de Physique Nucléaire d'Orsay
GANIL Grand accélérateur national d'ions lourds

Help of the ANR 419,385 euros
Beginning and duration of the scientific project: September 2019 - 48 Months

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