Radioactive ion beams (RIBs) provide a method for studying the properties of increasingly exotic nuclei. For many nuclei, the intensity of the RIB available in the isotope separation on-line (ISOL) technique is limited by the relatively long delay time in the target/ion source system (TISS). New techniques are needed to decrease this delay time, thereby increasing the intensity of the RIBs available for study. The sulfide molecular sideband was discovered in 2001 as a way to greatly enhance the quality of Sn beams. Holdup measurements were performed at the Holifield Radioactive Ion Beam Facility (HRIBF) to determine the extent to which the delay of Sn in the TISS is improved by the introduction of sulfur. The results clearly demonstrate that SnS has a shorter delay time than Sn and indicate the improved release efficiency for short half-lives. The results also indicate that improvements to the formation and release of SnS molecules from the TISS are possible. To this end, modifications were made to the standard HRIBF design to improve the formation and release of molecules from the TISS. The modified TISS design will provide greater control over the TISS parameters by enabling independent and controlled heating of the transfer line and by moving the gas feed line so that it is inserted directly into the target holder. With these improvements, it should be possible to improve the release of Sn isotopes in the sulfide molecular sideband by enabling the formation of the molecule earlier in the release process and by increasing the probability that the molecule will form.

Radioactive isotopes enable advanced medical treatments and the study of nuclear structure, nuclear astrophysics, and fundamental symmetries. TRIUMF, Canada’s Particle Accelerator Centre, generates radioactive isotope beams using the Isotope Separation On-Line method. At TRIUMF, the Forced Electron Beam Induced Arc Discharge (FEBIAD) ion source is used to ionize specific isotopes but often presents limited performance and lower efficiencies compared to other facilities. To investigate the source limitation, elucidate the ionization mechanism, and propose improved and highly efficient sources for upcoming facilities, a combined numerical and experimental campaign has been undertaken. The developed numerical ionization model is able to describe the source as an electron impact ion source that is governed by strong space charge effects. The spatially distributed ionization rate is higher at specific locations of the anode volume, and this has been confirmed experimentally. The validated numerical model has been further used to propose simulation-based optimizations. With the overall optimization, the ionization efficiency for the TRIUMF FEBIAD is expected to increase ten-fold. / Graduate

Pour le projet ALTO à l'IPN d'Orsay, comme pour d'autres laboratoires qui exploitent la technique ISOL pour produire des faisceaux radioactifs intenses et purs, il est crucial, lorsque des isotopes de courte durée de vie sont produits dans des cibles épaisses, de réaliser des cibles et des sources d'ions avec des bonnes propriétés de sortie et de haute efficacité. Ainsi les études de R&D sur les cibles et les sources d'ions sont très importantes pour l'optimisation de la production, la sélectivité et la sortie des isotopes d'intérêt. Ces études sont aussi nécessaires vers les futurs installations transnationales de recherche en physique nucléaire SPIRAL-2 et EURISOL. Le travail présent est consacré à la production d'isotopes de gallium riches en neutrons par la technique de cible épaisse ISOL reposant sur la photo-fission et l'ionisation de surface. Nous visons à l'étude de la structure nucléaire du 82,83,84Ge grâce à la désintegration bêta du 82,83,84Ga. Dans ce but, nous nous concentrons sur le développement d'une nouvelle source d'ionisation de surface faite de matériaux à haute fonction de travail comme le Re et l'Ir. Un code C++ a été construit pour simuler l'efficacité d'ionisation de la source pour des surfaces différentes (des matériaux différents et des dimensions différentes) et le résultat a été comparé avec une base de données expérimentales du CERN. Le code peut être utilisé pour optimiser les dimensions de la source d'ions dans des agencements futurs. En même temps nous avons réalisé une expérience d'essai afin de mesurer l'efficacité d'ionisation du gallium dans des cavités de Re et Ir-Re. D'autre part, pour les études de structure nucléaire d'éléments réfractaires, comme le cobalt ou le nickel, pour lesquels on s'attend à ce qu'ils révèlent un trésor d'informations de structure intéressantes, la technique ISOL à cible épaisse n'est plus appropriée. En effet, le point de fusion élevé de ces éléments fait qu'ils se volatilisent et se libèrent difficilement d'une cible épaisse. Alors une technique basée sur des cibles minces s'avère nécessaire et le guide d'ions à laser, basé sur une cellule à gaz pour thermaliser, neutraliser et arrêter les produits de réaction reculants suivie d'une ionisation résonnante laser pour les re-ioniser sélectivement, semble un bon choix. Cependant, afin de déterminer si la technique convient pour ALTO, nous devons répondre à la question quant au taux d'ionisation du gaz tampon par le faisceau primaire ainsi que les charges secondaires? Autrement dit, quel est le taux de production de paires ion-électron dans la cellule à gaz? En effet, un taux d'ionisation trop grand empêche l'extraction efficace des ions d'intérêt du guide d'ions à laser. Pour répondre à cette question, nous avons construit un code basé sur Geant-4 pour simuler l'ionisation du gaz tampon. En outre, dans un mouvement vers le projet SPIRAL-2 au GANIL, où la fission de l'238U sera induite par des neutrons produits dans un convertisseur carbonique depuis un faisceau de deutons, nous avons écrit un code Geant-4 pour simuler la production de neutrons, la fission induite par neutron et le dépôt d'énergie dans une cellule à gaz de dimensions semblables à la cellule proposée pour ALTO.

Le sujet de cette thèse est le développement d'une cible liquide haute puissance capable de gérer les contraintes liées a un impact de faisceau de protons de haute puissance (de l'ordre du GW en quelques ms) tout en optimisant la production d'isotopes a court temps de demi-vie (ici, l'intérêt se porte sur du Mercure, de temps de demi vie 130 ms). L'objectif est d'améliorer l'extraction des particules élémentaires d'intérêt pour les physiciens une fois celles-ci créées. La thèse a été principalement préparée au CERN (Genève, Suisse). De plus en plus, la puissance des faisceaux primaires envoyés sur les cibles augmente jusqu'à atteindre plusieurs centaines de kiloWatt, créant ainsi de nouvelles problématiques et de nouveaux défis. De nouveaux concepts de cibles ont ainsi vu le jour. Parmi eux, une boucle liquide utilisant du Plomb Bismuth Eutectic (LBE) comme matériau de cible, et dans lequel un échangeur de chaleur et une pompe sont intégrés, a été proposée durant la phase de développement du projet EURISOL. Ce concept prévoit de plus de transformer le liquide irradié sous forme degouttes de manière à faciliter l'extraction des isotopes créés et ainsi d'augmenter la production d'isotopes à court temps de demi-vie. Cette thèse présente le développement de ce design. Un prototype a été développé et sera testé sous faisceau de protons à ISOLDE au CERN. Plusieurs outils analytiques pour l'étude et la conception de cible haute puissance sont proposés, prenant en considération divers paramètres de design. Ces outils peuvent être utilisés pour d'autres cibles haute puissance et permettent un dimensionnement simple de ce genre de cible. De plus, un design innovant d'échangeur de chaleur est présenté, permettant d'extraire une puissance constante pour différentes températures de LBE. Le design proposé est validé grâce à divers outils numériques et analytiques. De plus, des tests expérimentaux ont été réalisés pour valider la faisabilité de douche. Des gouttes de 400 um ont été obtenues. La cible proposée est la première combinant l'utilisation d'une chambre de diffusion où la douche est créée, avec une pompe et un échangeur de chaleur. Les concepts avancés peuvent être utilisés pour ledéveloppement de cibles similaires dans d'autres instituts. / The subject of this thesis is to design a liquid target able to account for the stress induced by the impact of a highpower proton beam (of the order of GW in few ms) and to optimize the isotopes production of species with short half-life (here, the isotope of interest is a Mercury one, with a half-life of 130 ms). The objective is to improve the extraction of elementary particles of interest for physicists. The thesis was mainly conducted at the CERN (Geneva, Switzerland).More and more, the power of primary beam sent onto targets increases until reaching several kiloWatts of magnitude, inducing new problematic and challenges. Consequently, the need of new target design arises and leads to new conceptual design proposal. Amongst them, a concept of Lead Bismuth Eutectic (LBE) loop target making use of an heat exchanger (HEX) and a pump has been proposed during the European project EURISOL Design Study. This concept proposed an improvement in terms of release efficiency of short-lived species by transforming the irradiated liquid into droplets shape. This thesis presents the development of this target design proposal. A prototype target has been developed and will be tested under proton beam at ISOLDE at CERN. Several analytical tools for the study of this kind of targets are proposed, taking into account different design parameters. These tools can be applied for other high power target concept and allow an easy dimensioning of this kind of targets. As well, an innovative heat exchanger is developed, allowing to extract constant power out of the target for different LBE temperature. The proposed target design is validated thanks to different numerical and analytical tools while experimental tests have been conducted in order to assess the droplet formation feasibility. These tests prove that a shower of droplets of 400 ¿m is possible. The developed target is the first one combining a diffusion chamber where a shower is created combined with a pump and a HEX. The concepts of this design could be applied for similar targets that could be developed in other facilities.

Dans le cadre de l'installation GANIL / SPIRAL-1, un système innovant de source d'ions cible (TISS) a été conçu pour produire des nouveaux faisceaux d'ions radioactifs compétitifs et déterminer dans quelle mesure il est possible d'améliorer les performances de production par l’optimisation de l’ensemble cible-source (ECS) d’ions dédié à la production d'un faisceau d'ions radioactifs spécifique.L'isotope d'alcalin de courte durée de 74Rb ( demi-vie = 64.8 ms) a été choisi comme cas d’école.En étudiant et en améliorant les processus impliqués dans le fonctionnement de l’ECS, i.e. production dans la cible par réaction fusion-évaporation, implantation dans- et sortie du graphite, effusion et ionisation, une efficacité de transformation atome-ion de 75% est attendue, menant à un taux d'ions de l'ordre de 104 pps à la sortie de l’ECS.Les performances estimées permettraient à l'installation GANIL / SPIRAL-1 de délivrer des faisceaux de 74Rb et 114Cs avec des intensités compétitives, jamais atteintes dans d'autres installations.Le dispositif de production a été développé sur la base de mon travail, pour répondre aux objectifs de physique et aux conditions d'opération de SPIRAL-1. L'efficacité, la fiabilité et donc la simplicité étaient essentielles. Le système répond à ces exigences. / In the frame of GANIL/SPIRAL-1 facility, an innovative target ion source system (TISS) has been designed in order to produce new competitive radioactive ion beams, and to determine to which extent it is possible to improve the production performances by optimizing a target ion source system dedicated to the production of a specific radioactive ion beam.The short-lived alkali isotope of 74Rb (half-life = 64.8 ms) has been chosen as a challenging case study.By studying and improving the processes involved in the TISS designed, i.e. in-target production by fusion-evaporation, implantation in and release out of graphite, effusion, and ionization, an atom-to-ion transformation efficiency of 75% was predicted, leading to an ion rate of the order of 104 pps at the exit of the TISS.The estimated performances would allow the GANIL / SPIRAL-1 installation to deliver beams of 74Rb and 114Cs with competitive intensities never reached in other installations.The production device was developed based on my work, to cope with physics objectives and with the conditions of the SPIRAL-1 operation. Efficiency, reliability and thus simplicity were essential. The system meets these requirements.The instrumentation needed for tests existed or have been specifically designed. The TISS has been built, assembled and partly tested.In parallel, issues have been addressed to answer related questions about sticking times, resistivity, and emissivity, to get inputs for the design of the TISS.Expected results with alkali allow thinking that the transposition of the principle to the production of neutron-deficient short-lived isotopes of noble gases and eventually metals could be performing.

Radioactive ion beam production by Isotope Separator On Line method (ISOL) has motivated the construction of several nuclear facilities over the world. The method consists in impinging solid target material with beams of stable nucleus. Radioactive nuclei produced during the collision are stopped in the target material and must diffuse out of it as fast as possible to transform them into ions before their radioactive decay. The release time must thus be as short as possible to avoid their losses. The release of the nuclei depends on several parameters, which are related to the chemistry of the atoms in the target matrix, to the geometry and micro-structure of the target, and to its temperature. In the case of targets made of grains, we assumed that an optimum grain size of the grains existed. To make possible its easy determination, we aimed to calculate it analytically. Thus we have built a description of the propagation of the atoms in the target material, while conserving the different physico-chemical parameters and avoiding the use of adjustable parameters. The description of the propagation process will be presented as well as the assumptions. Finally, the optimum grain size will be given for the radioactive Ar atoms out of graphite.

Durant cette thèse, nous avons étudié les décroissances β des noyaux de gallium autour de N=50 et préparé une source d'ionisation laser à ALTO. Le besoin d’accéder à des régions de plus en plus exotiques pour la production de faisceaux radioactifs requiert l’élimination des contaminants polluant le faisceau d’intérêt. Afin de résoudre ce problème, une source d’ionisation laser a été développée à ALTO. Le cuivre a été choisi comme premier élément à ioniser pour ses intérêts physiques et pour comparer le fonctionnement de la source laser avec celles des autres installations de recherche. Des lasers ont été ainsi installés et optimisés pour ioniser sélectivement ce type d’atome produits pour les expériences. Ce montage laser nous a permis de tester l’ionisation du cuivre stable avec succès.L'étude de la région des noyaux riches en neutrons autour de N=50 est encore à approfondir. Les connaissances des noyaux de cette région sont clairsemées ce qui ne permet pas de clore les différents débats dont ils sont le sujet. Nous avons donc étudié les noyaux 79,80,82,83,84,85Ga produits à ALTO. Pour cela, un faisceau d’électrons (50MeV et 10µA) délivré par l’accélérateur linéaire est envoyé sur une cible de carbure d’uranium portée à 2000°C. Les électrons y émettent un rayonnement de freinage qui entraine la fission des noyaux d’uranium. Les produits de fission diffusent jusqu’à une source d'ionisation de surface qui est installée en sortie de cible pour ioniser les atomes de gallium et produire le faisceaux d’ions. Ce système nous permet d'étudier les décroissance β- et β--n des isotopes 79,80,82,83,84,85Ga.L’analyse de cette expérience a produit de nouveaux résultats sur les décroissances de 80Ga, 84Ga et 84Ge. Pour 80Ga, l’étude des données a confirmé l’existence d’un état isomérique et a permis de mesurer les durées de vie de l’état fondamental et de l’isomère. De plus, l’analyse de la décroissance de 84Ge a permis de confirmer deux états et de proposer un troisième pour 84As. Enfin la comparaison des résultats expérimentaux avec des calculs théoriques a confirmé l’assignation de spin-parité des premiers états 2+ et 4+ mais aussi du caractère triaxial de 84Ge proposés antérieurement à cette thèse. Le deuxième état 2+ de cet isotope a aussi été identifié. Pour les états de 84As, l’assignation des spins et des parités de quatre états a été proposée et interprétée en terme de mélange de configurations. / During this thesis, we have studied β decays of gallium’s nuclei around N=50 and prepared a laser ionization source at ALTO.The production of exotic isotopes has brought new beam production challenges. The one addressed here relates to the elimination of isobar contaminants that create background for experiments. To address this issue a laser ionization source has been developed at ALTO. Copper has been chosen to be the first element to be ionized for physical interests and to compare the results of the laser ionization source with the ones at others facilities. A laser setup has been installed and optimized in order to ionize selectively the atoms of copper produced for experiments. After the optimization, a test of ionization of stable-copper was performed. This test has shown us that the laser system is able to successfully ionize atoms of copper.The studies of the region of the neutron-rich nuclei around N=50 are still to complete. The knowledge of this region is low what does not allow to close off the debates which they are the subject. 79,80,82,83,84,85Ga has been produced using photo-nuclear reactions at the experimental area of the on-line PARRNe mass-separator operating with the ALTO facility. The fission fragments are produced at the interaction of the 50 MeV electron beam delivered by the ALTO linear accelerator with a thick target of uranium in a standard UCx form. The oven is connected to a W ionizer heated up to 2000°C that selectively ionizes alkalies but also elements with low ionization potentials such as Ga. The ions are accelerated through 30 kV and magnetically mass-separated before being implanted on a mylar tape close to the detection setup, so that this system allows us to study β- and β- -n decays of 79,80,82,83,84,85Ga.The data analysis have produced new results concerning the decays of 80Ga, 84Ga and 84Ge. For 80Ga, the existence of an isomeric state has been confirmed and two different half-lives were measured for the ground state and the isomer. Furthermore, the analysis of 84Ga decay confirmed two states and allowed us to propose an other state in the decay of 84Ge. Finally, the comparison between experimental results and theoretical calculations has confirmed the assignment of spin-parity of the first states 2+ and 4+ but also the triaxial property of 84Ge that has been proposed previously. The second state 2+ of this isotope has also been identified. For the states of 84As, the assignment of spins and parities of four states have been proposed and interpreted in terms of configuration mixing.

Grâce aux progrès de la production de faisceaux radioactifs au cours de deux dernières décennies, nous sommes à présent capables d'étudier les systèmes nucléaires très loin de la vallée de stabilité. La région de 78Ni reste encore inexplorée. Cette région, avec de très riches en neutrons 78Ni, noyau encore inconnu supposé doublement magique, est très intéressante en termes de structure nucléaire. En effet, les informations expérimentales obtenues sur l’espace de valence ouvert au dessus de 78Ni, nous permettront de construire des interactions effectives pour cette région. Nous avons étudié la désintégration de l’isotope 84Ga riche neutrons auprès de l'installation ALTO à l'IPN d'Orsay. Les fragments de fission ont été produites par photo-fission induite par l’interaction d’un faisceau d’électron de 50 MeV avec une cible épaisse de carbure d’uranium. Pour la première fois, ALTO a été utilisé dans ses conditions optimales, tant du point de vue de l’intensité du faisceau primaire (10 µA d’électrons à 50 MeV) que de la méthode d’ionisation. En effet, les atomes de gallium ont été sélectivement ionisés à l’aide d’une source d'ions laser. Grâce à cette nouvelle source l'ionisation du gallium était plus de dix fois supérieure à celui de la source à ionisation de surface utilisée précédemment par notre groupe. Les ions séparés par le séparateur de masse PARRNe ont été implantés sur une bande de mylar mobile, entourée de deux détecteurs germanium placés en géométrie rapprochés d’ un détecteur plastique pour le marquage des désintégrations bêta. Je présenterai les résultats de notre expérience obtenus pour les noyaux riches en neutrons 83,84Ge et 84As. Nous discuterons de leur structure et les comparerons aux résultats obtenus avec des calculs « modèle en couches » effectués avec la nouvelle interaction ni78 - jj4b construite dans le cadre de cette thèse. / Thanks to advances in production of radioactive nuclear beams in the last two decades, we are able to study nuclear systems very far from stability. The region of the nuclear landscape in the vicinity of 78Ni remains still unexplored. This region, with very neutron-rich 78Ni hypothetically considered as a doubly magic core, is interesting in terms of nuclear structures. The experimental information is equally important to guide the emerging shell-model effective interactions in this region. We have studied -decay of a neutron rich 84Ga isotope at the ALTO facility in IPN Orsay (France). The fission fragments were produced with photo-fission reaction induced by 50 MeV electron beam in a thick UCx target. For the first time the maximum electron driver beam intensity at ALTO - 10uA - was used. The gallium atoms were selectively ionized with a newly developed laser ion source. With this ion source the ionization of the gallium was more than ten times higher compared to the surface ion source previously used by our group. The ions were separated with the PARRNe mass separator and implanted on a movable mylar tape. Two germanium detectors in close geometry were used for the detection of gamma-rays and gamma-gamma coincidence measurement, and a plastic for beta tagging. We present the results of our experiment: the improved level schemes of the neutron-rich 83,84Ge and 84As isotopes. We discuss their structure and compare the experimental results with the shell model calculations made with the new effective interaction ni78-jj4b with 78Ni core, constructed in the framework of this thesis.

Durant cette thèse, nous avons étudié les décroissances β des noyaux de gallium autour de N=50 et préparé une source d'ionisation laser à ALTO. Le besoin d'accéder à des régions de plus en plus exotiques pour la production de faisceaux radioactifs requiert l'élimination des contaminants polluant le faisceau d'intérêt. Afin de résoudre ce problème, une source d'ionisation laser a été développée à ALTO. Le cuivre a été choisi comme premier élément à ioniser pour ses intérêts physiques et pour comparer le fonctionnement de la source laser avec celles des autres installations de recherche. Des lasers ont été ainsi installés et optimisés pour ioniser sélectivement ce type d'atome produits pour les expériences. Ce montage laser nous a permis de tester l'ionisation du cuivre stable avec succès.L'étude de la région des noyaux riches en neutrons autour de N=50 est encore à approfondir. Les connaissances des noyaux de cette région sont clairsemées ce qui ne permet pas de clore les différents débats dont ils sont le sujet. Nous avons donc étudié les noyaux 79,80,82,83,84,85Ga produits à ALTO. Pour cela, un faisceau d'électrons (50MeV et 10µA) délivré par l'accélérateur linéaire est envoyé sur une cible de carbure d'uranium portée à 2000°C. Les électrons y émettent un rayonnement de freinage qui entraine la fission des noyaux d'uranium. Les produits de fission diffusent jusqu'à une source d'ionisation de surface qui est installée en sortie de cible pour ioniser les atomes de gallium et produire le faisceaux d'ions. Ce système nous permet d'étudier les décroissance β- et β--n des isotopes 79,80,82,83,84,85Ga.L'analyse de cette expérience a produit de nouveaux résultats sur les décroissances de 80Ga, 84Ga et 84Ge. Pour 80Ga, l'étude des données a confirmé l'existence d'un état isomérique et a permis de mesurer les durées de vie de l'état fondamental et de l'isomère. De plus, l'analyse de la décroissance de 84Ge a permis de confirmer deux états et de proposer un troisième pour 84As. Enfin la comparaison des résultats expérimentaux avec des calculs théoriques a confirmé l'assignation de spin-parité des premiers états 2+ et 4+ mais aussi du caractère triaxial de 84Ge proposés antérieurement à cette thèse. Le deuxième état 2+ de cet isotope a aussi été identifié. Pour les états de 84As, l'assignation des spins et des parités de quatre états a été proposée et interprétée en terme de mélange de configurations.

Grâce aux progrès de la production de faisceaux radioactifs au cours de deux dernières décennies, nous sommes à présent capables d'étudier les systèmes nucléaires très loin de la vallée de stabilité. La région de 78Ni reste encore inexplorée. Cette région, avec de très riches en neutrons 78Ni, noyau encore inconnu supposé doublement magique, est très intéressante en termes de structure nucléaire. En effet, les informations expérimentales obtenues sur l'espace de valence ouvert au dessus de 78Ni, nous permettront de construire des interactions effectives pour cette région. Nous avons étudié la désintégration de l'isotope 84Ga riche neutrons auprès de l'installation ALTO à l'IPN d'Orsay. Les fragments de fission ont été produites par photo-fission induite par l'interaction d'un faisceau d'électron de 50 MeV avec une cible épaisse de carbure d'uranium. Pour la première fois, ALTO a été utilisé dans ses conditions optimales, tant du point de vue de l'intensité du faisceau primaire (10 µA d'électrons à 50 MeV) que de la méthode d'ionisation. En effet, les atomes de gallium ont été sélectivement ionisés à l'aide d'une source d'ions laser. Grâce à cette nouvelle source l'ionisation du gallium était plus de dix fois supérieure à celui de la source à ionisation de surface utilisée précédemment par notre groupe. Les ions séparés par le séparateur de masse PARRNe ont été implantés sur une bande de mylar mobile, entourée de deux détecteurs germanium placés en géométrie rapprochés d' un détecteur plastique pour le marquage des désintégrations bêta. Je présenterai les résultats de notre expérience obtenus pour les noyaux riches en neutrons 83,84Ge et 84As. Nous discuterons de leur structure et les comparerons aux résultats obtenus avec des calculs " modèle en couches " effectués avec la nouvelle interaction ni78 - jj4b construite dans le cadre de cette thèse.