ALTO (Accélérateur Linéaire et Tandem d’Orsay) est une installation équipée de deux accélérateurs pour la recherche et les applications industrielles (un tandem de 15 MV et une accélérateur linéaire). Mon travail de thèse consiste à l’instrumentation pour la recherche fondamentale de la partie accélérateur linéaire d’ALTO qui fournir des faisceaux de noyaux radioactifs. Les faisceaux de noyaux radioactifs riches en neutrons sont produits par la technique de séparation isotopique en ligne (ISOL). Cette méthode de production permet trois types d’expérience : la mesure de masse, l’orientation nucléaire et les expériences de décroissances radioactives. Parmi ces trois types d’expériences, j’ai participé aux développements de deux nouvelles plateformes expérimentales dans le cadre du projet de l’instrumentation de l’installation ISOL d’ALTO. Le premier, BEDO (BEta Decay studies in Orsay) est un ensemble de détecteurs dédié à la spectroscopie β-γ des noyaux décroissants par désintégration β produits par ALTO. Je présente ici, la mise en fonctionnement de cette plateforme expérimentale, ses caractéristiques techniques et les développements d’outils permettant d’aboutir aux premiers résultats. Pour cette expérience un faisceau de la masse 82 a été produit, saisissant cette opportunité, une ré-investigation de la décroissance de ⁸²Ge vers ⁸²As a permis d’établir un nouveau schéma de niveaux pour ⁸²As et de donner les premières indications de la présence d’états issus de configurations intruses dans les isotones impair-impair N=49. Le second projet développé est POLAREX (POLARization of EXotic nuclei), il s’agit d’une plateforme expérimentale dédiée aux expériences d’orientation nucléaire. Mon travail traite ici de l’entière réhabilitation du cryostat à dilution ³He-⁴He (élément principal et le plus complexe de l’installation) et des développements techniques et R&D apportés à l’ensemble de la plateforme. L’ensemble de ces contributions a permis la validation du fonctionnement de l’installation avec les premières mesures physiques sur les noyaux de ⁵⁴Mn, ⁵⁶Co, ⁵⁷Co créés par activation d’une feuille de Fer avec des deutons produits par le Tandem. / ALTO (Accélérateur Linéaire et Tandem d’Orsay) is a facility composed of two accelerators dedicated to research and industrial applications. There is a 15 MV tandem and a linear accelerator. My PhD work was to develop the instrumentation of the linear accelerator part of ALTO which provides radioactive beams for fundamental research. These radioactive beams are produced using the Isotope Separation On-Line method (ISOL). This technique allows three kinds of experiments: mass measurement, nuclear orientation and radioactivity experiments. Among those three types of experiments, I worked on the development of two new experimental platforms for the ALTO instrumentation. The first one, BEDO (BEta Decay studies in Orsay) is an ensemble of detectors dedicated to β-γ spectroscopy of β-decaying nuclei produced by ALTO. I present in this thesis, the commissioning of this new experimental set-up, its technical characteristics and the tools development leading to the first results. For this commissioning experiment a mass 82 radioactive beam was produced, taking this opportunity the ⁸²Ge vers ⁸²As decay was re-investigated allowing to establish a new level scheme for ⁸²As and giving the first evidences for the presence of intruder states in the N=49 odd-odd isotones. The second project, which is developed, is POLAREX (POLARization of EXotic nuclei), a new facility for nuclear orientation experiments. My thesis deals with the entire reconditioning of a ³He-⁴He dilution refrigerator (major and most complex element of the facility) and R&D and technical developments of the platform. These contributions allowed the successful commissioning of the new experimental platform with the first physical measurements on ⁵⁴Mn, ⁵⁶Co, ⁵⁷Co created by activation of an iron foil with deuterons produced by the Tandem.

Cette thèse présente l'étude expérimentale et théorique des propriétés magétiques de films ultraminces de cobalt épitaxiés sur substrats d'or polycristallins. Les mesures des cycles d'hystérésis confirment la présence (précédemment observée par résonance ferromagnétique) d'une forte anisotropie d'interface s'opposant au champ démagnétisant, et donnant lieu, pour des épaisseurs de cobalt inférieures à 6 plans atomiques, à un basculement de l'axe de facile aimantation perpendiculairement au plan de la couche. J'ai également mis en évidence deux phénomènes nouveaux: à basse température, le champ coercitif augmente considérablement aux faibles épaisseurs; à température ambiante, il existe un traînage important de l'aimantation. J'ai interprété ces phénomènes à l'aide d'un modèle de mouvement de parois de Bloch, montrant le rôle prépondérant joué par la rugosité interfaciale. J'ai étudié théoriquement, par des calculs de structure électronique dans l'approximation des liaisons fortes, l'anisotropie magnétique de films monoatomiques de fer, cobalt et nickel. Ces calculs contribuent à une compréhension meilleure de ce phénomène. Par ailleurs, l'étude du moment magnétique orbital m'a permis de prédire un effet original dans ces films ultraminces: une anisotropie du moment magnétique d'environ 0,1 magnéton de Bohr, très supérieure à celle des matériaux massifs. Enfin, j'ai étudié, à l'aide de modèles phénoménologiques, l'effets des imperfections (rugosité, déformations interfaciales) sur l'anisotropie magnétique.

La mesure des moments magnétiques nucléaires est d'une grande importance pour bien comprendre la structure nucléaire. Le moment magnétique est sensible à la nature de la particule indépendante. Le développement des faisceaux radioactifs permet aujourd'hui d'étudier les spins nucléaires et les moments de noyaux exotiques éloignés de la ligne de stabilité. Cependant, la mesure des moments magnétiques des noyaux radioactifs nécessite le développement des nouvelles méthodes fiables. Le développement réussi de telles méthodes ouvrirait la possibilité de découvrir de nouveaux phénomènes de structure nucléaire. L'étude présentée dans cette thèse est formée de deux expériences. La première expérience a été réalisée à ALTO à Orsay, en France. L'une des principales exigences pour mesurer un moment magnétique nucléaire est de produire un ensemble avec des spins orientés. Ce dernier peut être produit par un mécanisme de réaction approprié et une interaction de spin nucléaire avec le milieu environnant. Le degré d'orientation dépend du processus de formation et du mécanisme de réaction. Le but de cette première expérience était d’étudier le niveau d’orientation du spin nucléaire dans un mécanisme de réaction de fusion incomplète. Le résultat de l'expérience démontre la possibilité d'obtenir un alignement du spin dans une réaction de fusion incomplète d'un ordre de 20%. Ce mécanisme de réaction, avec une telle quantité d’alignement de spin, a le potentiel d’étudier la région riche en neutrons avec des faisceaux radioactifs. La deuxième expérience, et l'essentiel de la thèse, a été réalisée à HIE-ISOLDE au CERN. Cette expérience visait à obtenir des informations de haute précision sur le facteur g d’un état de courte durée. Une nouvelle méthode TDRIV (Time-Differential Recoil In Vacuum) a été appliquée pour la première fois avec des faisceaux radioactifs post-accélérés. La mesure du facteur g était réalisée pour le premier état excité dans un noyau de ²⁸Mg (Eₓ = 1474 (1) keV, T₁/₂ = 1,2 (1) ps). / Knowledge of the nuclear magnetic moments is of great importance to get a clear understanding of nuclear structure. The magnetic moment is sensitive to the single-particle nature of the valence nucleons. The development of radioactive beam facilities allows nowadays studying nuclear spins and moments of exotic nuclei which are far from the stability line. However, the measurement of magnetic moments of exotic nuclei produced as radioactive beams requires the development of reliable methods. Successful development of such methods would open up the possibility to discover new nuclear structure phenomena. The study outlined in this thesis is formed by two experiments. The first experiment was performed at ALTO facility in Orsay, France. One of the main requirements in order to measure a nuclear magnetic moment is to produce a spin-oriented ensemble. The latter can be produced by suitable reaction mechanism and nuclear spin interaction with the surrounding environment. The degree of the orientation depends on the formation process and reaction mechanism. The aim of this first experiment was investigating the level of nuclear spin orientation in incomplete fusion reaction mechanism. Two reaction channels were studied, the isomeric states in ⁶⁵mNi (I = 9/2⁺, Eₓ = 1017 keV, T₁/₂ = 26 ns), and ⁶⁶mCu (I = 6⁻, Eₓ = 563 keV, T₁/₂= 600 ns) with Time-Dependent Perturbed Angular Distribution (TDPAD) method. The result of the experiment demonstrates the possibility of obtaining spin alignment in incomplete fusion reaction of an order of 20%. This reaction mechanism, with such an important amount of spin alignment has potential near radioactive beam facilities to study the neutron-rich region with inverse kinematics reactions. The second experiment, and the main part of the thesis was performed at HIE-ISOLDE at CERN. This experiment aimed to obtain high precision g-factor information on a short-lived picosecond state. A new Time Differential Recoil-In-Vacuum (TDRIV) method was applied for the first time using post-accelerated radioactive beams. The g-factor measurement was performed for the first-excited state in ²⁸Mg nucleus (Eₓ = 1474(1) keV, T₁/₂ = 1.2(1) ps). Since the lifetime of the state is of the order of picoseconds, its g-factor can be measured only via the spin precession of the nucleus in an extremely strong magnetic field (kT). Such fields can only be produced at the nucleus by hyperfine interactions. In order to obtain a high precision on a g-factor measurement, a TDRIV calibration experiment was performed with a stable ²²Ne beam. This run allowed testing the system under the same conditions as with radioactive²⁸Mg beam. In addition, using the known g-factor of the first-excited state in ²²Ne allows to determine the absolute target-to-degrader distance so that to decrease the uncertainty and obtain a high precision g-factor measurement. The obtained calibration parameters from the ²²Ne data will be used in the determination of g-factor of ²⁸Mg.

Les structures magnétiques des stannures ternaires a base d'uranium ou de terre rare T2M2Sn (T = U, RE et M = Ni, Pd) ont été déterminées par diffraction de neutrons sur poudre. L'étude approfondie des composes U2M2Sn (M = Ni, Pd) a permis de mettre en évidence plusieurs type de corrélations entre propriétés structurales et magnétiques. L'hybridation entre les orbitales 5f(U) et 3d(Ni) est responsable du faible moment magnétique porte par l' uranium dans U2Ni2Sn, et explique que ce compose soit proche d'une instabilité magnétique. De même, dans le système U2Pd2+xSn1-x, la réduction du moment magnétique lorsque le taux de palladium augmente montre l' influence de l' hybridation des états 5f(U) et 4d(Pd). Dans cette solution solide, l'évolution de la structure magnétique en fonction de la composition a permis de vérifier la règle empirique selon laquelle les moments de l' uranium se dirigent perpendiculairement aux distances interatomiques les plus courtes entre atomes d' uranium. L'extension de cette étude aux nouveaux stannures de terre rare RE2Pd2,04Sn0,96 (RE = Ce, Tb, Dy, Ho, Er) a mis en évidence des relations systématiques entre des structures magnétiques complexes. L'existence d' une double transition magnétique permet d'observer, dans tous ces composés, une modulation sinusoïdale qui laisse place a basse température a une structure magnétique commensurable.

Les moments magnétiques anomaux des leptons ont joué un rôle important dans le développement du modèle standard de la physique des particules. Aujourd’hui, celui du muon est mesuré très précisément et le sera avec une precision encore plus grande par une expérience qui débutera en 2017. Dans la mesure où la prédiction théorique pourra être faite avec des incertitudes comparables, un test rigoureux du modèle standard sera possible. Nous étudions ici le facteur limitant de cette prédiction, la contribution de la polarisation hadronique du vide à l’ordre dominant (HVP-LO). Nous calculons cette contribution numériquement à l’aide d’une version discrétisée de la théorie de l’interaction forte, la chromodynamique quantique sur réseau. Le calcul haute-performance permet de résoudre la théorie dans son régime hautement non-linéaire qui est le plus pertinent ici. Les algorithmes de simulation et les méthodes utilisées pour obtenir la polarisation hadronique, ainsi que les incertitudes associées, sont décrits. Ces méthodes sont ensuite appliquées à des simulations réalisées avec la collaboration Budapest-Marseille-Wuppertal. Dans un premier temps, elles sont implémentées dans une étude dédiée des effets de volume fini. Les méthodes les plus robustes sont ensuite utilisées pour calculer la polarisation hadronique avec des simulations qui comprennent N_f=2+1+1 saveurs de quarks. Celles-ci sont réalisées directement à la valeur physique des masses de quarks u, d, s et c, avec six tailles de maille et dans de gros volumes de 6 fm^3. Elles nous permettent de calculer la contribution HVP-LO au moment magnétique anomal du muon avec des erreurs contrôlées d’environ 3%. / The anomalous magnetic moments of leptons have played an important role in the development of the Standard Model of particle physics. Today, that of the muon is measured very precisely and will be so with even higher precision in an experiment that will begin in 2017. To the extent that the theoretical prediction can be made with comparable uncertainties, a rigorous test of the Standard Model will be possible. Here we study the limiting factor in this prediction, the leading-order hadronic vacuum polarization contribution (HVP-LO). We compute this contribution numerically with a discretized version of the theory of the strong interaction: lattice Quantum Chromodynamics. High-performance computing allows to solve the theory in its highly nonlinear regime, which is the one most relevant here. The simulation algorithms and the methods used to obtain the HVP, as well as the associated statistical and systematic uncertainties, are described. These methods are then applied to simulations performed with the Budapest-Marseille-Wuppertal collaboration. First they are implemented in a dedicated study of finite-volume effects. The most robust methods are then used to compute the HVP with simulations which include N_f=2+1+1 flavors of quarks. These are performed directly at the physical values of the u, d, s and c quark masses, with six lattice spacings and in large volumes of 6 fm^3. They allow us to compute the HVP-LO contribution to the anomalous magnetic moment of the muon with controlled errors of around 3%.

Les effets cohérents dans l’interaction des particules à haute énergie avec les cristauxouvrent de nouvelles opportunités d’accélération et détection de particules. Les champs électromagnétiquesefficaces présents dans les cristaux qui se présentent dans ce cas peuvent dépassermille fois les champs qui sont maintenant réalisables dans les installations expérimentales.La première partie de la thèse est consacrée à l’étude théorique des effets de diffusion multiples surla dynamique et le rayonnement des particules chargées de haute énergie dans les cristaux. L’undes objectifs de cette étude est de trouver des conditions optimales pour effectuer la mesure dumoment magnétique anormal du baryon Lamda au LHC. En raison de la courte durée de vie de cetteparticule, le seul moyen de fournir une telle mesure est d’utiliser un cristal courbé, qui peut imiter lechamp magnétique de l’ordre de milliers de Tesla.L’optimisation des paramètres du set up expérimental a été réalisée sur la base de la simulation parordinateur du passage du Baryon Lamda à travers un cristal courbé à l’aide du modèle de collisions binaires, entenant compte de la diffusion incohérente sur les vibrations thermiques des atomes des noeuds enréseau et de la diffusion sur un sous-système électronique d’un cristal. Les résultats de la recherchemenée dans la thèse démontre la possibilité d’effectuer une telle expérience au LHC et sont devenusla base de la proposition correspondante.Les effets de diffusion multiple des électrons ultra relativistes et le rayonnement des positons dansles cristaux alignés sont également considérés dans la première partie de la thèse.Il est également démontré que la distribution angulaire spectrale et les caractéristiques de polarisationdu rayonnement diffèrent essentiellement des résultats de la théorie de Bethe–Heitler. Lesconditions d’observation expérimentale de ces effets sont présentées.La deuxième partie de la thèse est consacrée à l’étude des processus transitoires des réacteursrapides fonctionnant dans un régime d’onde de combustion nucléaire auto-entretenue (OCN). C’estun nouveau concept de réacteurs de fission nucléaire avec la soi-disant “sécurité intrinsèque”, danslaquelle le développement d’une réaction nucléaire à chaîne incontrôlable est impossible en raisondes principes physiques du fonctionnement du réacteur. Les concepts prometteurs du réacteur OCNdans le cas de sa mise en œuvre permettent d’utiliser l’uranium appauvri et fournit le traitement desdéchets radioactifs à longue durée de vie.Cette étude est basée sur la résolution numérique de l’équation de diffusion non linéaire non stationnairedu transport de neutrons avec un ensemble d’équations de combustion pour les composantsdu carburant et les équations de la cinétique nucléaire pour les noyaux précurseurs des neutronsretardés, en utilisant une approche “effective multigroup”. Le modèle du réacteur cylindrique homogèneavec le combustible métallique des cycles de carburant U–Pu, Th–U et mixte Th–U–Pu estconsidéré dans le cadre du concept de flambage.À la suite de ces études, l’existence du mode OCN dans le cas du combustible mixte Th–U–Puet de ses avantages essentiels est démontrée; l’analyse détaillée d’un type spécial de rétroactionnégative inhérente au régime OCN et sous-jacente à la “sécurité intrinsèque” d’un tel réacteur esteffectuée; les scénarios d’un démarrage en douceur, d’un arrêt forcé et d’un redémarrage ultérieurdu réacteur OCN sont développés. / The coherent effects in the high energy particle interaction with crystals open up new opportunities for accelerating and detecting techniques. The effective electromagnetic fields that arise in this case can exceed a thousand times the fields that are now attainable at experimental installations. The first part of the thesis is devoted to the theoretical study of the multiple scattering effects on the dynamics and radiation of high energy charged particles in crystals. One of the goals of this study is to find optimal conditions to carry out the measurement of the anomalous magnetic moment of the charmed Lambda Baryon at the LHC. Due to the short lifetime of this particle the only way to provide such a measurement is to use a bent crystal, which can imitate the magnetic field of order of thousand Tesla. The optimization of the parameters for an experimental setup was carried out on the basis of computer simulation of the Lamda Baryon passage through a bent crystal using the binary collisions model, taking in to account incoherent scattering on thermal vibrations of atoms at lattice nodes, and scattering on an electronic subsystem of a crystal. The results of the research conducted in the thesis give an optimistic forecast for the possibility of carrying out such an experiment at the LHC and became the basis of the corresponding proposal. The multiple scattering effects of the thesis. This study is performed in the framework of classical electrodynamics approach for describing the relativistic particle radiation and the computer simulation of fast charged particles passing through a crystal using the above-mentioned model. It is shown, that the spectral-angular distribution and the polarization characteristics of radiation essentially differ from the results of the Bethe–Heitler theory. The conditions for the experimental observation of these effects are presented. The second part of the thesis is devoted to the study of transient processes in advanced fast reactor breeder working in a self-sustained nuclear burning wave (NBW) regime. It is a new concept of nuclear fission reactors with the so-called “intrinsic safety”, in which the development of uncontrolled chain nuclear reaction is impossible due to the physical principles of reactor operation. The promising concepts of NBW reactor in the case of its implementation allows to utilize the depleted Uranium and provides the treatment of long-lived radioactive waste. This study is based on numerical solving the non-stationary non-linear diffusion equation of neutron transport together with a set of the burn-up equations for fuel components and the equations of nuclear kinetics for precursor nuclei of delayed neutrons using effective multi-group approach. The model of cylindrical homogeneous reactor with metallic fuel of U–Pu, Th–U and mixed Th–U–Pufuel cycles is considered in the framework of the buckling concept. As a result of these studies the existence of the NBW mode in the case of mixed Th–U–Pu fuel and its essential advantages are demonstrated; the detailed analysis of a special kind of the negative reactivity feedback that is inherent to the NBW regime and underlies the “intrinsic safety” of such a reactor is performed; the scenarios of a smooth start-up, forced shutdown and subsequent restart of the NBW reactor are developed.

Cette thèse est une étude théorique sur la interface de porphyrine de cobalt avec des surfaces métalliques avec le code VASP DFT. Le cadre DFT nécessaire a été introduit dans le chapitre 1. La structure de la jBardeen, une programme ecrit en Java, pour la simulation de la STM est expliqué dans le chapitre 2 et le code source est jointe en annexe. Une étude de l'adsorption de CoTPP sur les surfaces métalliques a été entrepris dans le chapitre 3. Différents paramètres de calcul ont été évalués: Le site d'adsorption et de la géométrie à la fois la molécule et la surface ont été étudiés par rapport à la xc-fonctionnel et correction de la dispersion utilisée. Une adsorption site le plus stable est identifié. Par conséquent, ce site plus stable a été étudiée pour sa structure électronique. Calculés images STM avec le code jBardeen ont été comparés avec une experimentation de CoTPP Cu sur une surface (111) avec une couverture sous monocouche. Dans le chapitre 4, un adatome Fe a été présenté à la CoTPP sur Ag système (111). Trois sites de liaison symétrique différentes pour l'atome Fe ont été identifiés sur le macrocycle, marqué les , bi-, brd- et bru-positions. Un moment magnétique pouvait être attestée qui a été principalement situé sur l'atome Fe. Voies possibles entre les quatre, symétriquement équivalentes, sites bi- ont été étudiées avec des méthodes différentes. Simples calculs dans le vacuum et calculs de la “Nudged Elastic Band” (NEB) de l'ensemble du système a révélé une hauteur de barrière légèrement au-dessus de 0,2 eV allant de position bi à la posititon brd. Une analyse de vibration a montré que la commutation de l'atome Fe est susceptible, lorsqu'il est perturbé hors d'équilibre dans les positions brd et bru. / This thesis is a theoretical study on the cobalt porphyrin - coinage metal surface interface with the DFT code VASP. The necessary DFT framework has been introduced in chapter 1. The structure of the Java program jBardeen for STM simulation is explained in chapter 2 and the source code is attached as Appendix. A study of the adsorption of CoTPP on coinage metal surfaces has been undertaken in chapter 3. Different parameters of the calculation have been evaluated: the adsorption site and the geometry of both the molecule and surface have been investigated with respect to the xc-functional and dispersion correction used. A most stable adsorption site -bridge down- is identified. Consequently, this most stable site was investigated for its electronic structure. Calculated STM images with the jBardeen code were compared with an experiment of CoTPP on a Cu(111) surface with sub monolayer coverage. In chapter 4 an Fe adatom was introduced to the CoTPP on Ag(111) system. Three symmetrically different binding sites for the Fe atom were identified on the macrocycle, labelled the bi-, brd- and bru-positions for bisector, bridge down and bridge up respectively. A magnetic moment could be evidenced which was mainly located on the Fe atom. Possible pathways between the four symmetrically equivalent bisector sites were investigated with different methods. Single point calculations in vacuum and Nudged Elastic Band (NEB) of the whole system revealed a barrier height of slightly above 0.2 eV going from bi- to the brd-position. A vibrational analysis showed that switching of the Fe atom is likely, when perturbed out of equilibrium in the brd- and bru- positions.