Ensemble Cible-Source pour la Production d'Ions de Courte Durée de Vie – TULIP

Les faisceaux d'ions stables du GANIL vont du carbone à l'uranium, et leur énergie couvre la gamme de quelques MeV/A à 100 MeV/A. Cette spécificité offre des possibilités de production de FIR via des conditions de réactions nucléaires optimisées en section efficace, et facilite l'adaptation de la conception du dispositif en termes de géométrie, de matériau et de principe à mettre en œuvre.

L'intensité finale du FIR résulte du produit de la production dans la cible par l'efficacité de transformation des atomes en ions (TAI). L'originalité de l'approche réside dans le fait de favoriser l'efficacité TAI plutôt que la production de noyaux dans la cible. Une fois la réaction nucléaire optimale choisie, chaque mécanisme impliqué dans le processus TAI est optimisé, à savoir relâchement en dehors du matériau d'arrêt des noyaux, relâchement en dehors de la cavité de production et ionisation.

Les relâchements de différentes structures de matériaux carboné, dont des nano-tubes de carbone ont été étudiés à l'IJCLab (Orsay). Des développements de cibles pour les environnements hostiles et des combinaisons techniques originales ont été développés et testés hors-ligne, lors d’expériences sur banc d’essais au GANIL. Une fois au point, les systèmes ont été testés en-ligne, à l’aide des faisceaux du GANIL et de réactions de fusion-évaporation. Chaque aspect du projet, réactions nucléaires, cibles, matériaux pour la cavité, thermo-, mécano- et électro- technologies a été abordé individuellement puis progressivement assemblés au cours d’un programme de développement expérimental.

Les mesures de relâchement d’atomes de Rb en dehors de 4 matériaux à base de carbone ont été menées avec succès et ont permis de déterminer que la meilleure structure du matériau d’arrêt est celle d’un tapis de nano-tubes de faible diamètre (J. Guillot et al., NIM B 526 (2022) 9-18). Dans le cas d’atomes de 74Rb, 82 % des noyaux devraient être relâchés. En attendant de disposer de ce matériau en quantité suffisante, il sera remplacé par une feuille de Papyex, en dehors duquel 47 % des atomes de 74Rb seront relâchés (à une température de 1400 °C).

La production d’ions 74 à 78Rb+ mesurée à l'issue de la réaction 20Ne@90MeV/A+nat58Ni est conforme à l’attendu, avec une efficacité de transformation atomes-ions de l’ordre de 10%.

La production d'ions 74Rb+ a été augmentée à plusieurs centaines d'ions/s en utilisant la réaction 20Ne@117MeV/A+nat58Ni, et une température de cavité supérieure à 1500 °C (expérience 3-7 septembre 2025). Les résultats doivent être analysés en détails. Ils sont déjà très prometteurs, et devraient encore être significativement améliorés.

Pour ces ions, le temps de transformation mesuré (~20 μs) est très inférieur à la durée de vie du 74Rb (65 ms), et cohérent avec le temps de transformation mesuré hors ligne préalablement au projet (P. Jardin et al., NIM A 1055 (2023)168332).

Une efficacité minimum d’ionisation de 10 % des éléments stables Sn, In et Ag a été mesurée dans les conditions nominales de fonctionnement du dispositif TULIP-FEBIAD destiné à la production d’ions radioactifs métalliques autour du 100Sn.

L’ensemble de ces résultats soutient la possibilité de produire un faisceau de plusieurs ions/s de 100Sn+, objectif au delà du projet.

Deux dispositifs de production d’ions radioactifs ont été réalisés, TULIP pour ions alcalins et TULIP-FEBIAD pour ions métalliques. Leur fonctionnement aux conditions nominales a été testé sur un temps d'une semaine, qui correspond au temps minimum d’exploitation dans SPIRAL1. Leurs performances ont été mesurées à l’aide d’atomes stables sur banc, et radioactifs (74 à 78Rb+) créés à l’aide d’un faisceau primaire dans le cas du dispositif TULIP pour ions alcalins.

Une cible tournante a aussi été développée pour permettre d’augmenter l’intensité maximale des faisceaux primaires incidents, donc les taux de production jusqu’à un facteur 7 tout en limitant le risque de dégâts induits par irradiation et une température élevée.

Une base de données sur la diffusion des atomes dans les solides à haute température a été construite ainsi qu’un code d’exploitation (A.Ribet et al., doi.org/10.4028/p-u7wKGE).

Une cible de production à base de Mo et de natNi a été réalisée et éprouvée (P. Jardin et al., doi.org/10.1051/epjconf/202328508001). Combinée à différents faisceaux primaires, elle permet la production d’une vaste gamme d’isotopes (autour du Rb et du Sn dans un premier temps).

Le dispositif TULIP est devenu un élément clé de la production de faisceaux d’ions radioactifs dans SPIRAL1 à l'horizon de l’installation DESIR. Bien que déjà opérationnel, il sera progressivement modifié pour améliorer ses performances en termes de production et de fiabilité.

A court terme, ces dispositifs démontreront que grâce à une démarche d'optimisation du processus de production, il est possible de produire des ions radioactifs très exotiques avec des intensités compétitives voire inégalées. Cette démonstration a été faite en premier lieu pour les ions 74Rb+ en septembre 2025, dont l'intensité était supérieure à 100 pps (résultat préliminaire, analyse en cours). La production d'ions métalliques 100Sn+, qui sera testée courant 2026, devrait être supérieure à 1 pps. Ces résultats confirmeront le bien-fondé de la démarche et ouvriront immédiatement la voie à la production de nombreux autres isotopes grâce à l'adaptabilité importante du dispositif et à la variété des faisceaux délivrés par le GANIL.

Plusieurs améliorations du dispositif sont d’ores et déjà en cours, comme l'augmentation de la température de la cavité, actuellement limitée entre 1500 et 1600 °C, et l'augmentation de l’intensité du faisceau primaire sur la cible, via le recours à une cible tournante actuellement en test.

L'avance prise par le GANIL dans la maitrise de cette technique lui assure d'être pendant plusieurs années parmi les leaders mondiaux pour la production d'ions dans la région des isotopes déficients en neutrons et de courte durée de vie.

A plus long terme, la maitrise de cette technique pourrait être transposée à une installation ISOL utilisant les faisceaux intenses de l'accélérateur de SPIRAL2.

Dans l'immédiat, il est envisagé de mixer la technique de TULIP et celle de dispositifs de production à cible épaisse pour augmenter l'intensité de production d'élément de durée de vie intermédiaire (de l'ordre de la seconde) tel que le 39Ca par exemple..

..bientôt disponible

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