PIXE (Particle Induced X-ray Emission) et PIGE (Particle Induced Gamma-ray Emission) sont des méthodes d’analyse par faisceau d’ions, multiélémentaires et non destructives. Elles sont basées sur la détection des rayons X et gamma caractéristiques émis suite à l’interaction de particules chargées avec la matière. La méthode PIXE permet de quantifier les éléments de numéro atomique Z>11 avec une limite de détection au niveau du μg/g (ppm). Les rayons X émis par les éléments légers (Z<11) sont fortement atténués par la matière, limitant la sensibilité de PIXE pour cette gamme de numéro atomique. Ces éléments peuvent légers être analysés, simultanément, par la méthode PIGE. Un des nombreux avantages de la méthode PIXE/PIGE est sa capacité à pouvoir effectuer différentes analyses (cartographie des concentrations, analyse en profondeur, objets précieux). Il est possible d’analyser des échantillons aussi bien homogènes que non homogènes. La méthode PIXE à haute énergie a été développée au cyclotron ARRONAX avec des faisceaux de particules pouvant atteindre 70 MeV. La technique PIXE à haute énergie permet, notamment, l’analyse d’échantillons épais et limite les risques d’endommagement. Premièrement la plateforme PIXE/PIGE à haute énergie est décrite. Ensuite une étude de la méthode PIGE à haute énergie ainsi que la mise en place d’un protocole de mesure de sections efficaces sont présentées. Pour finir les méthodes mises en place ainsi que les résultats obtenus lors de l’analyse de plusieurs types d’échantillons non homogènes (multicouches et granulaires) sont présentés et discutés. / Particle Induced X-ray Emission (PIXE) and Particle Induced Gamma-ray Emission (PIGE) are multi-elemental and non-destructives techniques. They are based on the detection of characteristic X-ray and gamma emission induced by the interaction of accelerated charged particles with matter. Elements with an atomic number Z> 11 can be quantified reaching a limit of detection in the order of μg/g (ppm). X-rays from light elements are strongly attenuate by matter. Therefore, PIXE shows little sensitivity for lights elements. Those elements are analyzed simultaneously using PIGE. One of the benefits of PIXE/PIGE is its ability to perform analysis with different requirement (elemental concentration mapping, in-depth analysis, valuable objects). Homogeneous and non-homogenous samples can be studied thanks to PIXE/PIGE. High energy PIXE (HEPIXE) has been developed at the ARRONAX cyclotron using particles beams up to 70 MeV. Thus analysis of thick samples is achievable using HEPIXE. Using high energy beams can also reduce the risk of damaging the sample. First of all, the high energy PIXE/PIGE platform develop at ARRONAX is described. Then the results given by high energy PIGE analysis and the experimental procedure for gamma emission cross section measurements are discussed. Finally, the methods developed and the results obtained during the analysis of inhomogeneous samples (multi-layer and granular samples) are presented and discussed.

Les réactions de fusion-évaporation et de transfert de nucléons entre ions lourds à des énergies proches de la barrière de Coulomb jouent un rôle essentiel dans l’étude de la structure nucléaire et des mécanismes de réaction. Dans le cadre de cette thèse, deux expériences de fusion-évaporation et de transfert de nucléons ont été réalisées au Laboratoire National de Legnaro en Italie : 40Ca+58Ni et 40Ca+64Ni. Dans une première expérience, les sections efficaces de fusion de 40Ca+58,64Ni ont été mesurées à des énergies au-dessus et en dessous de la barrière de Coulomb et ont été interprétées à l’aide de calculs en voies couplées et Hartree-Fock dépendants du temps (TDHF). Les résultats montrent l’importance de l’excitation à un phonon octupolaire dans le noyau 40Ca et les excitations à un phonon quadripolaire dans les noyaux 58Ni et 64Ni, ainsi que l’importance des voies de transfert de nucléons dans le système riche en neutrons 40Ca+64Ni. Dans une expérience complémentaire, les probabilités de transfert de nucléons de 40Ca+58,64Ni ont été mesurées dans le même domaine d’énergie que l’expérience précédente et ont été interprétées en effectuant des calculs TDHF+BCS. Les résultats confirment l’importance des voies de transfert de nucléons dans 40Ca+64Ni. Une description conjointe des probabilités de transfert de nucléons et des sections efficaces de fusion a été réalisée pour les deux réactions étudiées en utilisant une approche en voies couplées. / Heavy-ion fusion-evaporation and nucleon transfer reactions at energies close to the Coulomb barrier play an essential role in the study of nuclear structure and reaction dynamics. In the framework of this PhD thesis, two fusion-evaporation and nucleon transfer experiments have been performed at the Laboratori Nazionali di Legnaro in Italy : 40Ca+58Ni and 40Ca+64Ni. In a first experiment, fusion cross sections for 40Ca+58,64Ni have been measured from above to below the Coulomb barrier and have been interpreted by means of coupled-channels and Time-Dependent Hartree-Fock (TDHF) calculations. The results show the importance of the one-phonon octupole excitation in the 40Ca nucleus and the one-phonon quadrupole excitations in the 58Ni and 64Ni nuclei, as well as the importance of the nucleon transfer channels in the neutron-rich system 40Ca+64Ni. In a complementary experiment, nucleon transfer probabilities for 40Ca+58,64Ni have been measured in the same energy region as the previous experiment and have been interpreted by performing TDHF+BCS calculations. The results confirm the importance of nucleon transfer channels in 40Ca+64Ni. A simultaneous description of the nucleon transfer probabilities and the fusion cross sections has been performed for both reactions, using a coupled-channels approach.

Les polyoxométallates (POM) sont des composés anioniques constitués par l’assemblage de polyèdres d’oxydes métalliques {MOy}, (avec M, MoVI ou WVI) reliés entre eux par des atomes d'oxygène. Les POM forment ainsi une classe remarquable de clusters d’oxydes métalliques inorganiques nanométriques, avec une grande variété de charges et de structures. Il est possible de former des systèmes hybrides incluant la partie inorganique du POM et une partie organique greffée, permettant d’apporter de nouvelles fonctionnalités aux POM, tel que l’auto-assemblage. Nous avons consacré ces travaux de thèse à la caractérisation de systèmes classiques, hybrides et auto-assemblés de POM par spectrométrie de masse couplée à la spectrométrie à la mobilité ionique (IMS-MS). Une première approche expérimentale par spectrométrie de mobilité ionique en tube de dérive (DTIMS) nous a permis de déterminer les sections efficaces de collisions (CCS) de POM étalons dans l’hélium et dans l’azote. Les CCS des étalons POM nous ont ensuite permis d’étalonner une cellule IMS de type Travelling Wave (TWIMS). L’analyse par IMS-MS de POM hybrides organiques-inorganiques seuls ou en présence de PdCl2 a mis en évidence la présence de systèmes auto-assemblés triangulaires [POM3·cation3], carrés [POM4·cation4] ou pentagonaux [POM5·cation5] avec différents états de charges. Des valeurs de CCS de ces auto-assemblages ont également pu être estimées à partir de l’étalonnage de la cellule TWIMS. Par une approche théorique, nous avons modélisé plusieurs structures de POM standards avec et sans contre-ion tetrabutylammonium (TBA+) par la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Les structures optimisées ont été utilisées afin de déterminer des CCS théoriques grâce au logiciel MOBCAL, auquel nous avons incorporé les atomes de molybdène et de tungstène pour lesquels nous avons optimisé de nouveaux paramètres de potentiel de Lennard Jones. La correspondance des CCS expérimentales et théoriques des structures de POM standards offre de nouvelles possibilités pour une attribution structurale pour les POM hybrides auto-assemblés par coordination en présence de cations métalliques. / Polyoxometalates (POM) are anionic compounds formed by the assembly of metal oxide polyhedra {MOy}, (with M, MoVI or WVI) linked together by oxygen atoms. POM thus form a remarkable class of nanometric inorganic metal oxide clusters, with a wide variety of charges and structures. It is possible to form hybrid systems including the inorganic part of the POM and a grafted organic part, allowing new functionalities to be added to the POM, such as selfassembly. We have dedicated this thesis work to the characterization of standards, hybrid and self-assembled POM systems by mass spectrometry coupled to ion mobility spectrometry (IMS-MS). A first experimental approach using drift tube ion mobility spectrometry (DTIMS) allowed us to determine the collision cross sections (CCS) of standard POM in helium and nitrogen. The CCS of the POM standards then allowed us to calibrate an IMS cell of a Travelling Wave ion mobility instrument (TWIMS). The analysis by IMS-MS of organic-inorganic hybrid POMs alone or in the presence of transition metal cations revealed the presence of self-assembled triangular [POM3·cation3], square [POM4·cation4] or pentagonal [POM5·cation5] systems with different charge states. CCS values of these self-assemblies was estimated from the calibration of the TWIMS cell. Using a theoretical approach, we modelled several standard POM structures with and without tetrabutylammonium counterion (TBA+) using density functional theory (DFT). The optimized structures were used to determine theoretical CCS using the trajectory method of the MOBCAL software, in which we incorporated molybdenum and tungsten atoms for which we optimized new Lennard Jones potential parameters. The correspondence of experimental and theoretical CCS of standard POM structures offers new possibilities for structural attribution of self-assembled hybrid POM by coordination in the presence of metal cations.

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Les sections efficaces neutroniques des noyaux de courte durée de vie sont des données cruciales pour la physique fondamentale et appliquée dans des domaines tels que la physique des réacteurs ou l’astrophysique nucléaire. En général, l’extrême radioactivité de ces noyaux ne nous permet pas de procéder à des mesures induites par neutrons. Cependant, il existe une méthode de substitution (« surrogate » dans la littérature) qui permet de déterminer ces sections efficaces neutroniques par l’intermédiaire de réactions de transfert ou de réactions de diffusion inélastique. Son intérêt principal est de pouvoir utiliser des cibles moins radioactives et ainsi d’accéder à des sections efficaces neutroniques qui ne pourraient pas être mesurées directement. La méthode est basée sur l’hypothèse de formation d’un noyau composé et sur le fait que la désexcitation ne dépend essentiellement que de l’énergie d’excitation et du spin et parité de l'état composé peuplé. Toutefois, les distributions de moments angulaires et parités peuplés dans des réactions de transfert et celles induites par neutrons sont susceptibles d’être différentes. Ce travail fait l’état de l’art sur la méthode substitution et sa validité. En général, la méthode de substitution fonctionne très bien pour extraire des sections efficaces de fission. Par contre, la méthode de substitution dédiée à la capture radiative est mise à mal par la comparaison aux réactions induites par neutrons. Nous avons réalisé une expérience afin de déterminer les probabilités de désexcitation gamma du 176Lu et du 173Yb à partir des réactions de substitution 174Yb(3He,p)176Lu* et 174Yb(3He,alpha)173Yb*, respectivement, et nous les avons comparées avec les probabilités de capture radiative correspondantes aux réactions 175Lu(n,gamma) et 172Yb(n,gamma) qui sont bien connues. Cette expérience a permis de comprendre pourquoi, dans le cas de la désexcitation gamma, la méthode de substitution donne des écarts importants par rapport à la réaction neutronique correspondante. Ce travail dans la région de terres rares a permis d'évaluer dans quelle mesure la méthode de substitution peut s’appliquer pour extraire des probabilités de capture dans la région des actinides. Des expériences précédentes sur la fission ont aussi pu être réinterprétées. Ce travail apporte donc un éclairage nouveau sur la méthode de substitution. / Neutron-induced cross sections of short-lived nuclei are needed for fundamental and applied physics as nuclear energy or astrophysics. However, very often the high radioactivity of the samples makes the direct measurement of these cross sections extremely difficult. The surrogate reaction method is an indirect way of determining neutron-induced cross sections through transfer or inelastic scattering reactions. This method presents the advantage that in some cases the target material is stable or less radioactive than the material required for a neutron-induced measurement. The method is based on the hypothesis that the excited nucleus is a compound nucleus whose decay depends essentially on its excitation energy and on the spin and parity state of the populated compound state. Nevertheless, the spin and parity population differences between the compound-nuclei produced in the neutron and transfer-induced reactions may be different. This work reviews the surrogate method and its validity. Neutron-induced fission cross sections obtained with the surrogate method are in general good agreement. However, it is not yet clear to what extent the surrogate method can be applied to infer radiative capture cross sections. We performed an experiment to determine the gamma-decay probabilities for 176Lu and 173Yb by using the surrogate reactions 174Yb(3He,p)176Lu* and 174Yb(3He,alpha)173Yb*, respectively, and compare them with the well-known corresponding probabilities obtained in the 175Lu(n,gamma) and 172Yb(n,gamma) reactions. This experiment provides answers to understand why, in the case of gamma-decay, the surrogate method gives significant deviations compared to the corresponding neutron-induced reaction. In this work, we have also assessed whether the surrogate method can be applied to extract capture probabilities in the actinide region. Previous experiments on fission have also been reinterpreted. Thus, this work provides new insights into the surrogate method.