Blanc SIMI 5 - Blanc - SIMI 5 - Physique subatomique et théories associées, astrophysique, astronomie et planétologie

Source d'ions laser gazeuse pour spectroscopie laser de faisceaux radioactifs de très faible intensité auprès du spectromètre S3 – REGLIS

Source d'ions laser gazeuse pour spectroscopie laser de faisceaux radioactifs de très faible intensité auprès du spectromètre S3

La force entre le noyau et le cortège électronique est connue comme l'interaction hyperfne. Elle peut être sondée grâce à des lasers, moyennant la longueur d'onde qui peut être choisie exactement égale à l'énergie de liaison du dernier électron. Notre but est de mesurer le rayon et les moments électromagnétiques de ces noyaux, c'est-à- dire les paramètres physiques qui permetent de quantifer la déviation de la forme sphérique idéale.

Mesure des rayons et des moments électromagnétiques des noyaux exotiques

La spectroscopie laser dite intrasource a été développé en Russie dans les années 1990. Ensuite elle a été mise en oeuvre à Isolde au Cern à Genève. Il s'agit d'une ionisation résonnante par laser dans une cavité de quelques centimètres de longueur et maintenue à une température d'environ 2000 °C, dans laquelle entrent les atomes par diffusion à partir d'une cible épaisse irradiée. Des informations spectroscopiques du noyau atomique peuvent être obtenues simultanément lors de l'ionisation, même si la résolution est limitée par un effet Doppler qui est induit par le mouvement thermique aléatoire des particules. <br />A l'université de Louvain à Belgique la cavité a été remplacée par un volume à gaz dans lequel un faisceau d'ions est arrêté. Cette technique permet l'étude de certains éléments qui ne sont pas disponibles à Isolde, notamment ceux qui restent piégés dans la cible à cause de leur nature chimiquement refractaire. Toutefois la résolution des résonnances se dégrade rapidement avec la pression du gaz. On s'est rendu compte qu'un meilleur résultat pourrait être réalisé si l'ionisation se fait dans un jet supersonique sortant de la cellule à gaz. Des zones de silence à basse densité et à faible effet Doppler sont succédées par des ondes de chocs et l'astuce consiste à envoyer le laser dans ces zones de silence.<br />Le spectromètre S3 est en construction au laboratoire du Grand Accélérateur d'Ions Lourds à Caen. Il donnera la possibilité de produire des isotopes exotiques sur la ligne N=Z c'est-à-dire à isospin zéro, dont une partie importante s'avère chimiquement réfractaire. Des cibles minces d'actinides ouvriront de plus la voie aux éléments transuraniens (Z>92) pour lesquels peu de propriétés nucléaires sont connues. Avec Reglis nous proposons la spectroscopie laser pour mesurer les rayons et les moments électromagnétiques de ces noyaux.

Les produits de réactions venant du spectromètre seront arrêtés dans un volume d'environ 100 cm3 et rempli d'un gaz d'argon à une pression de plusieurs centaines de millibar. Afin d'éviter toute contamination qui peut faire perdre les atomes d'intérêt suite à la formation de complexes moléculaires, le gaz est purifié à un niveau de parties-par-milliard. Ils sortent sous la forme d'un jet supersonique, dont la géométrie est définie par une tuyère de Laval ainsi que l'équilibre entre la pression du jet et la pression résiduelle de la chambre. Un premier laser excite les particules de façon résonnante vers un niveau intermédiaire, un deuxième les ionise vers le continuum (parfois des schémas à trois étapes ou vers des états auto-ionisants sont utilisées). Le laser irradie les zones de silence du jet où les particules se trouvent dans un environnement froid et à basse densité, afin de minimiser l'élargissement des résonnances dû à l'effet Doppler et aux collisions. En ajustant la longueur d'onde du laser, pour lequel il est impératif que la résolution intrinsèque soit suffisamment étroite, il est possible de sonder la structure hyperfine. A partir du spectre d'absorption on pourra déduire les paramètres nucléaires comme la variation rélative du rayon de charge, le moment magnétique et le moment quadripôlaire électrique.

Avant d'arriver à la détection, il est nécessaire de transformer le nuage d'ions en un faisceau de basse énergie. Parmi les outils les plus efficaces pour réduire l'émittance, on compte les quadripôles à radiofréquence (RFQ). Plusieurs RFQ assurent chacun une fonction différente: d'abord un RFQ en forme de S qui ramène le faisceau sur l'axe, un RFQ qui prépare le faisceau pour l'injecter dans un filtre de masse quadripôlaire et un RFQ qui regroupe les particules en paquets pour leur transport efficace vers la détection.

L'installation du séparateur S3 étant en cours, Reglis a été monté au LPC Caen en atente de sa mise en route. Reglis y a été intégré dans la ligne d'expériences de S3 comprenant le spectromètre de masse par temps de vol Pilgrim, associant ainsi la mesure de la masse à celle du rayon et des moments éléctromagnétiques. Néanmoins un banc d'essai a été installé à l'université de Louvain avec lequel la structure hyperfne des isotopes d'actinium a été mesurée. Une résolution de 400 MHz a été obtenue, démontrant la possibilité d'obtenir la résolution requise et donnant lieu à une première publication.
La fenêtre d'entrée de la cellule à gaz doit satisfaire à des contraintes importantes notamment une diférence de pression des deux côtés, une étanchéité et une extrême minceur afn de ne pas arrêter les particules. La solution choisie est celle du malaxage de feuilles de titane de
quelques micromètres d'épaisseur entre deux grilles métalliques de support. Cela consiste en un soudage par friction qui a été confé à l'entreprise Sominex à Bayeux.
La restriction d'utilisation des lasers à colorants liée à la sûreté des produits chimiques nous oblige à développer un laser titane-saphir à bande étroite. Une collaboration a été engagée avec les universités de Mayence en Allemagne et de Jyväskylä en Finlande.
La collaboration Reglis a été élargi avec l'Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'univers (Irfu) à Saclay afn de construire un système de détection dédié au rayonnement alpha, caractéristique des noyaux lourds. La technologie choisie est celle des semi-conducteurs de silicium à pistes. Nous nous sommes rapprochés de la collaboration Sirius qui a comme objectif l'étude des éléments très lourds et superlourds produits à S3 par décroissance alpha, aussi bien pour la conception du détecteur que la physique qui émane des propriétés de l'état fondamental et de la décroissance alpha.

La combinaison unique du dispositif Reglis avec les faisceaux d'ions radioactifs lourds produits par S3 rendra possible l’étude de nouveaux isotopes d’isospin (différence entre le nombre de neutrons N et le nombre de protons Z) très élevé par rapport aux isotopes stables, communément appelés noyaux exotiques. Les objectifs scientifiques portent sur l'étude des propriétés de l'état fondamental des noyaux N=Z (jusque dans la zone située autour du noyau doublement magique d’100Sn) et ceux des éléments très lourds et super-lourds au-delà même du fermium. Lorsque REGLIS sera rendu complètement opérationnel, les faisceaux produits pourront être utilisés par une nouvelle communauté d’utilisateurs qui sont intéressés par exemple par les études de décroissance et de mesures de masse. L'objectif de la proposition est donc de développer une nouvelle source d’ions efficace et universelle qui produira des faisceaux purs d’ions radioactifs (dans l’état fondamental ou isomérique), qui permettra de surmonter les contraintes actuelles expérimentales pour étudier les noyaux très exotiques et de réaliser notamment des expériences pionnières de spectroscopie laser haute résolution.

International, journaux
1 S. Raeder et al., «Developments towards in-gas-jet laser spectroscopy studies of actinium isotopes at Lisol«, Nucl. Instr. Meth. B 376, 382 (2016)
2 Y. Kudryavtsev et al., «A new in-gas-laser ionization and spectroscopy laboratory for off-line studies at KU Leuven«, Nucl. Instrum. Meth. B 376, 345 (2016)
3 R. Ferrer et al., «Towards high-resolution laser ionization spectroscopy of the heaviest elements in supersonic gas jet expansion«, Nature Communications 8, 14520 (2017)
4 C. Granados et al., «In-gas laser ionization and spectroscopy of actinium isotopes near the N=126 closed shell«, Phys. Rev. C 96, 054331 (2017)

International, communications
1. Lecesne et al., «In Gas-Jet Isomer Selective Laser Ion Source«, 16th International Conference on Ion Sources, August 23-28, 2015, New York, USA (invited)
2 R. Ferrer et al., «High-resolution laser ionisation spectroscopy of heavy elements in supersonic gas jet expansion«, 3rd International Conference on Advances in Radioactive Isotope Science, May 28-June 2, 2017, Keystone, USA
3 X. Fléchard et al., «Rare element in-gas laser ionization and spectroscopy at S3«, 30th International Conference on Photonic, Electronic, and Atomic Collisions, July 26-August 1, 2017, Cairns, Australia
4 R. Ferrer et al., «Advances in gas-cell based resonance laser ionisation methods for radioactive ion beam production«, 17th International Conference on Ion Sources, October 15-20, 2017, Geneva, Switzerland (invited)
5 N. Lecesne et al., «Reglis 3 at S3 for the production of high purity refractory RIBs«, 17th International Conference on Ion Sources, October 15-20, 2017, Geneva, Switzerland

Other
1 P. Creemers et al., Iglis-net newsleter N°3, April 2015, «Status on the Iglis laboratory at KU Leuven, the experimental and R&D program at the Lisol facility and the Reglis 3 project«
2 S. Franchoo et al., Iglis-net newsleter N°4, April 2016, «Reglis at S3«

Nous proposons le développement d'une nouvelle génération de source d'ions intégrée pour la production de faisceaux d'ions radioactifs (y compris des faisceaux d’ions dans un l’état isomérique) de basse énergie et de très grande pureté. Cette source d'ions est également, en elle-même, un outil expérimental pour la spectroscopie laser. Elle porte le nom REGLIS3 (acronyme de l’anglais Rare Elements in-Gas Laser Ion Source and Spectroscopy at S3) et sera installée au plan focal du spectromètre S3, actuellement en construction dans le cadre du projet SPIRAL-2 au sein du GANIL à Caen. REGLIS3 sera une source pour la production de nouveaux faisceaux purs d'ions radioactifs de basse énergie ainsi que d'un outil spectroscopique permettant de mesurer les interactions hyperfines nucléaires, donnant accès à des grandeurs et observables telle que le rayons de charge, les moments électromagnétiques et les spins des noyaux exotiques , qui n’ont pu être étudiés à ce jour. Il est constitué d'une cellule à gaz, dans lequel le faisceau d'ions lourds provenant de S3 sera arrêté et neutralisé. Le couplage de cette cellule avec un système laser assurera une re-ionisation sélective des atomes d'intérêt. Cette ionisation peut être effectuée dans la cellule même ou dans le jet de gaz supersonique en sortie de la cellule. Un quadripôle à radiofréquence permettra ensuite de capturer les photo-ions et de les guider vers la zone de basse pression, assurant ainsi une bonne émittance du faisceau radioactif ultra pur de basse énergie produit. Celui-ci sera envoyé vers une station de mesure standard.
La combinaison unique du dispositif REGLIS3 avec les faisceaux d'ions radioactifs lourds produits par S3 rendra possible l’étude de nouveaux isotopes d’isospin (différence entre le nombre de neutrons N et le nombre de protons Z) très élevé par rapport aux isotopes stables, communément appelés noyaux exotiques. Les objectifs scientifiques portent sur l'étude des propriétés de l'état fondamental des noyaux N = Z (jusque dans la zone située autour du noyau doublement magique d’100Sn) et ceux des éléments très lourds et super-lourds au-delà même fermium. Lorsque REGLIS3 sera rendu complètement opérationnel, les faisceaux produits pourront être utilisés par une nouvelle communauté d’utilisateurs qui sont intéressés par exemple par les études de décroissance et de mesures de masse. L'objectif de la proposition est donc de développer une nouvelle source d’ions efficace et universelle qui produira des faisceaux purs d’ions radioactifs (dans l’état fondamental ou isomérique), qui permettra de surmonter les contraintes actuelles expérimentales pour étudier noyaux très exotiques et de réaliser notamment des expériences pionnières de spectroscopie laser haute résolution.

Coordination du projet

Serge FRANCHOO (Organisme de recherche)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

KU Leuven University of Leuven

Aide de l'ANR 736 840 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2013 - 48 Mois

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