A laser ion source was investigated for a laser produced spatially bound plasma and the production of cluster ions. The design of a unique geometry for the target was fabricated to have a hollow cylindrical structure where the plasma is ignited inside the narrow volume. The study clarified the difference in the plasma dynamics of the laser ion source operation using the hollow cylinder target as the plasma was allowed to interact with the target surface. The proposed scheme, aiming to produce a low plasma temperature condition, was observed to the increase the probability for agglomeration and generated cluster ions. / 博士(工学) / Doctor of Philosophy in Engineering / 同志社大学 / Doshisha University

Nowadays we are all witnesses of a competition of facilities at different countries to study unknown regions of neutron rich nuclei. Much efforts are devoted to understand the role of neutron excess and its influence on nuclei in vicinity of closed neutron shells. One of the means to investigate nuclear structure is in beta-decay. Once a nucleus is proven to exist, its beta-decay properties, such as T1/2 and Pn (probability of beta-delayed neutron emission), which are relatively easy to measure, can provide the first hints on the nuclear structure. On the r-process site, "waiting points"(nuclei on closed neutron shells) has significant effects on the r-process dynamics and the abundance distribution. The actual side and the astrophysical conditions under which the nuclear synthesis takes place are still not certainly known - since r-process nuclei are difficult to produce and to study experimentally, input parameters for r-process calculations are mostly derived from theoretical models. As it has been seen lately, most of the theories have failed to reproduce newly measured data sets near shell closures. With new experimental data already (or shortly) available theoretical approaches can be adjusted. Since a beta-delayed neutron emission becomes strong if not dominating decaying channel for nuclei far stability, a proper neutron detector to study their properties is indispensable. To conduct the appropriate investigations, in the frame of the present thesis, in close collaboration with JINR (Dubna) a new detection system was constructed. It consists of 80 ³He-filled counters, 4π beta detector and a HPGe in order to measure simultaneously beta, gamma, neutron activity. The development of such a detection system system, currently installed at ALTO ISOL facility, was the first objective of the thesis. Then, during two experimental campaigns conducted to investigate beta decay properties of neutron rich nuclei in the neighborhood of N=50, N=82 the workability of the newly produced detection system was proven. In the vicinity of ⁷⁸Ni: half- lives and probability of beta-delayed neutron emission for ⁸º,⁸²,⁸³,⁸⁴Ga were measured. We were the first to observe the structure of ⁸¹,⁸² Ge via beta neutron gated gamma spectra. Thanks to the neutron detection channel the absolute intensities of beta decay were proposed for the first time. In the vicinity of ¹³²Sn the half lives of ¹²³Ag, ¹²⁴Ag, ¹²⁵Ag and ¹²⁷In, ¹²⁸In was measured. For the first time the beta delayed neutron emission was observed for ¹²⁶Cd, its Pn value also measured. Based on the data obtained we come to the conclusion that to figure out the relative contribution of allowed and forbidden decays more theoretical efforts should be done crossing the N=50 shell. Whereas in the vicinity of N=82 shell more experimental challenge are required.

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.

Aujourd'hui, nous sommes tous témoins d'une compétition des installations en pays différents pour étudier les régions inconnues de noyaux riches en neutrons. Beaucoup d'efforts sont consacrés à comprendre le rôle de l'excès de neutrons et son influence sur les noyaux dans les environs de coquilles de neutrons fermées. Un des moyens pour étudier la structure nucléaire est via la désintégration bêta. Une fois un noyau est prouvé d'exister, ses propriétés de désintégration bêta, comme T1/2 et Pn (probabilité de l'émission de neutrons de bêta-retardés), qui sont relativement faciles à mesurer, peuvent fournir les premiers indices sur la structure nucléaire. Sur le site de processus-r des «points d'attente» (noyaux sur des coquilles de neutrons fermés) ont des effets importants sur la dynamique processus-r ainsi que sur la distribution de l'abondance des éléments. Les conditions astrophysiques exactes en vertu de desquelles la synthèse nucléaire a lieu ne sont pas connus avec certitude. Parce que les noyaux participant en processus-r sont difficiles à synthétiser même aujourd'hui et à étudier expérimentalement, les paramètres nécessaires pour les calculs du processus-r sont principalement dérivés de modèles théoriques. Comme on l'a vu récemment, la plupart des théories n'ont pas réussi à reproduire des ensembles de données nouvellement mesurées près de fermetures de couche. Avec de nouvelles données expérimentales déjà (ou bientôt) disponibles les approches théoriques peuvent être ajustées. Comme émission de neutrons retardée bêta devient plus importante voie le canal dominant en désintégration des noyaux loin d'un stabilité, l'utilisation d'un détecteur de neutrons approprié afin d'étudier leurs propriétés est indispensable. C'est pour mener la recherche appropriée que dans le cadre de la thèse, en étroite collaboration avec le JINR (Dubna) un nouveau système de détection a été construit. Il se compose de 80 compteurs de ³He, un détecteur 4π de bêta et un HPGe afin de mesurer simultanément l'activité de gamma, bêta et neutrons. Le développement d'un tel système de détection, actuellement installé sur ALTO, a été le premier objectif de la thèse. Puis, au cours de deux campagnes expérimentales menées pour examiner les propriétés de désintégration bêta de noyaux riches en neutrons dans le proximité de N = 50, N = 82 la capacité de travail du système de détection produit a été prouvée. Dans le région de ⁷⁸Ni : le temps de vie et de la probabilité de l'émission de neutrons bêta retardés pour ⁸º,⁸²,⁸³,⁸⁴Ga ont été mesurés. Nous sommes les premiers à observer la structure de ⁸¹,⁸² Ge via spectroscopie gamma spectre conditionnée par bêta et par neutron. Grâce à la détection des neutrons les intensités absolues de la désintégration bêta ont été proposées pour la première fois. Dans le région de ¹³²Sn les temps de vie de ¹²³Ag, ¹²⁴Ag, ¹²⁵Ag et ¹²⁷In, ¹²⁸In ont été mesurées. Pour la première fois l'émission de neutrons retardés bêta a été observée pour le cas de ¹²⁶Cd, sa valeur Pn également mesurée. Sur la base des données obtenues, nous arrivons à la conclusion que, pour déterminer la contribution relative de désintégrations permises et interdites les efforts théoriques doivent être faites en traversant la couche N = 50. Alors que dans le région de N = 82 plus de données expérimentales sont nécessaires. / Nowadays we are all witnesses of a competition of facilities at different countries to study unknown regions of neutron rich nuclei. Much efforts are devoted to understand the role of neutron excess and its influence on nuclei in vicinity of closed neutron shells. One of the means to investigate nuclear structure is in beta-decay. Once a nucleus is proven to exist, its beta-decay properties, such as T1/2 and Pn (probability of beta-delayed neutron emission), which are relatively easy to measure, can provide the first hints on the nuclear structure. On the r-process site, "waiting points"(nuclei on closed neutron shells) has significant effects on the r-process dynamics and the abundance distribution. The actual side and the astrophysical conditions under which the nuclear synthesis takes place are still not certainly known - since r-process nuclei are difficult to produce and to study experimentally, input parameters for r-process calculations are mostly derived from theoretical models. As it has been seen lately, most of the theories have failed to reproduce newly measured data sets near shell closures. With new experimental data already (or shortly) available theoretical approaches can be adjusted. Since a beta-delayed neutron emission becomes strong if not dominating decaying channel for nuclei far stability, a proper neutron detector to study their properties is indispensable. To conduct the appropriate investigations, in the frame of the present thesis, in close collaboration with JINR (Dubna) a new detection system was constructed. It consists of 80 ³He-filled counters, 4π beta detector and a HPGe in order to measure simultaneously beta, gamma, neutron activity. The development of such a detection system system, currently installed at ALTO ISOL facility, was the first objective of the thesis. Then, during two experimental campaigns conducted to investigate beta decay properties of neutron rich nuclei in the neighborhood of N=50, N=82 the workability of the newly produced detection system was proven. In the vicinity of ⁷⁸Ni: half- lives and probability of beta-delayed neutron emission for ⁸º,⁸²,⁸³,⁸⁴Ga were measured. We were the first to observe the structure of ⁸¹,⁸² Ge via beta neutron gated gamma spectra. Thanks to the neutron detection channel the absolute intensities of beta decay were proposed for the first time. In the vicinity of ¹³²Sn the half lives of ¹²³Ag, ¹²⁴Ag, ¹²⁵Ag and ¹²⁷In, ¹²⁸In was measured. For the first time the beta delayed neutron emission was observed for ¹²⁶Cd, its Pn value also measured. Based on the data obtained we come to the conclusion that to figure out the relative contribution of allowed and forbidden decays more theoretical efforts should be done crossing the N=50 shell. Whereas in the vicinity of N=82 shell more experimental challenge are required.