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.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2006. / Titre de l'écran-titre (visionné le 28 mars 2007). Bibliogr.

La mesure des masses des noyaux permet d'obtenir l'énergie de liaison qui reflète toutes les interactions régnant au sein du noyau atomique. Pour les noyaux N=Z, l'énergie de liaison présente une singularité qui peut être reproduite par l'ajout d'un terme de Wigner dans les formules de masses. Cet effet est étudié par l'intermédiaire de l'interaction neutron-proton qui présente un excédent pour les noyaux N=Z qui tend à disparaître pour les noyaux pair-pair lorsque le nombre de masse A augmente. Cependant, pour les noyaux N=Z impair-impair, l'interaction neutron-proton tend à se stabiliser au delà de A=40 avec un excédent d'environ 2 MeV. Une mesure de la masse atomique du noyau N=Z=37 74Rb a été réalisée avec le spectromètre à radiofréquence MISTRAL qui est installé au CERN. La fréquence cyclotron du 74Rb à l'intérieur d'un champ magnétique est mesurée en la synchronisant avec la fréquence d'un champ électrique, qui module l'énergie cinétique des ions. Cette fréquence cyclotron est comparée à celle d'un noyau de référence, de masse bien connue, à l'intérieur du même champ magnétique et le rapport des deux fréquences donne le rapport des deux masses atomiques. Cette mesure dont la précision obtenue est de 116 keV, a confirmé la stabilisation de l'interaction neutron-proton pour les noyaux N=Z impair-impair. Différentes formules de masses ont été étudiées et l'interaction neutronproton a été calculée à partir des masses prédites par ces formules puis comparée aux valeurs expérimentales. En particulier, le modèle IBM-4, basé sur la symétrie SU(4) a été utilisé pour calculer les masses des noyaux N=Z et des noyaux pair-pair et ainsi en déduire l'interaction neutron-proton pour les noyaux N=Z pair-pair. Un autre point intéressant du 74Rb est sa décroissance super-permise vers le 74Kr dont l'énergie et la demi-vie permettent de calculer la constante de couplage vecteur de la théorie électrofaible, qui est supposée indépendante du noyau par l'hypothèse CVC.

L'exploration de la vallée de stabilité dans la direction des isospins est actuellement un enjeu très important en physique nucléaire. Dans ce cadre, les mesures de masses sont de très bonnes indications des changements de structures nucléaires et permettent la contrainte, loin de la stabilité, des modèles existants. Ce travail est consacré à l'étude de la région riche en neutrons autour de ^32_12Mg_20, nucléide radioactif de très courte durée de vie (95 ms). MISTRAL est un spectromètre à radiofréquence et à transmission en ligne installé au CERN à ISOLDE au cours de l'été 1997. La mesure de masse s'effectue par la mesure de la fréquence cyclotron de l'ion tournant dans un champ magnétique homogène comparée à celle d'un ion de référence. Cette méthode permet des mesures de masse très rapides et très précises (quelques 10−7). Des mesures de la masse de 25,26Ne et 32Mg ont été effectuées en 1999. L'analyse a été rendue complexe par la présence de nombreux isobares dans le faisceau radioactif. La masse de 32Mg a été trouvée plus liée de 280 keV par rapport aux tables. Les valeurs de MISTRAL pour les trois nucléides sont plus précises et ont donc le plus grand poids dans la nouvelle évaluation. La zone de déformation de la région étudiée est renforcée. La fermeture de couche à N = 20 semble disparaître pour ces nucléides. Une nouvelle méthode de mesure de masse avec le spectromètre MISTRAL ainsi que des comparaisons à des modèles classiques en physique nucléaire (modèle en couche, modèle de champ moyen, etc.) ont également été étudiées.

Il est maintenant établi qu'il existe un ïlot d'inversion autour du noyau riche en neutrons $^{32}$Mg (12 protons, 20 neutrons) en contradiction avec l'image de la fermeture de couche N=20. Cette inversion implique une coexistence de forme entre les configurations sphériques et déformée. Le travail présent étudie la spectroscopie $\gamma$ des noyaux de cette région grâce à une expérience réalisée au GANIL avec un faisceau secondaire composite produit par fragmentation. L'originalité de cette méthode utilisée réside dans la possibilité d'étudier simultanément plusieurs noyaux, et pour chaque noyau d'explorer plusieurs voies de réaction. Le spectromètre VAMOS a été utilisé pour l'identification des éjectiles. Les rayonnements $\gamma$ étaient détectés par EXOGAM, un ensemble de détecteurs germanium. Les détecteurs utilisés avant et après la cible de C$D_2$permettaient une identification unique des noyaux et une sélection de la voie réaction : diffusion inélastique, réactions de transferts et de fragmentation.<br />Les noyaux suivants ont été étudiés: $^{28}$Ne, $^{30-32}$Mg, $^{31-34}$Al, $^{33-35}$Si, $^{35}$P. De nouvelles transitions ont été observées. Les distributions angulaires de rayonnements $\gamma$ ainsi que les les corrélations angulaires $\gamma$-$\gamma$ ont pu être mesurées pour certaines transitions. Une attribution des spins et parités de certains états a ainsi été proposée. En particulier, l'assignation de l'état $3^-$ dans le $^{34}$Si est confirmée et un candidat est proposé pour le second état $0^+$, correspondant à la configuration déformée. Dans le $^{32}$Mg, l'état à 2.321 MeV, pour lequel des attributions contradictioires existent, est vraisemblablement un $4^+$, et nous proposons un candidat pour un état $6^+$.

La modulation d'intensité des faisceaux en radiothérapie externe (IMRT) permet de réaliser des plans de traitements plus conformes au volume cible tout en épargnant davantage les structures plus sensibles à la radiation. Cependant, la réalisation de tels plans nécessite une utilisation accrue de segments, générés par le collimateur multilames~(MLC), et d'unités moniteurs (UM) par rapport à la technique conventionnelle. Il en résulte des inconvénients comme une augmentation de la contribution du diffusé à la dose, plus d'incertitudes pour le calcul de la dose, une sensiblité plus grande aux mouvements intra-fractions et des ressources plus importantes pour planifier un plan de traitement. Dans un tel contexte, des plans ont été réalisés à l'aide du logiciel Ballista pour la région tête et cou. Ce logiciel utilise des champs prédéterminés et offre la possibilité d'optimiser l'orientation des faisceaux. / Dans le but d'offrir des plans de qualités dosimétriques comparable au plan d'IMRT, l'ajout de segments prédéterminés non anatomiques a été réalisé pour les plans balistiques. Avec des corrections manuelles du MLC, il s'est avéré possible de générer des plans comparables à ceux réalisés en IMRT, et ce avec moins de segments et d'UM. Au total, 11 cas ont été réalisés selon cette approche. De plus, la robustesse des deux méthodes de planification à l'amaigrissement du patient et aux erreurs de position du collimateur multilame a été abordée. En IMRT classique, aucune optimisation de l'orientation des faisceaux est réalisée, une distribution coplanaire équidistante est employée. L'impact de l'utilisation des incidences, suggérées par Ballista, a aussi été étudié sur les plans d'IMRT.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre du programme de recherche et développement en cours auprès de l'installation européenne ALTO (Accélérateur Linéaire et Tandem d'Orsay) à l'Institut de Physique Nucléaire d'Orsay afin de fournir de nouveaux faisceaux de noyaux exotiques riches en neutrons, les plus intenses possibles. La production de tels faisceaux permettra de réaliser des expériences cruciales pour l'avancement de nos connaissances dans le domaine de la physique nucléaire. A ALTO, les noyaux riches en neutrons sont produits par photofission dans des cibles épaisses de carbure d’uranium. Afin d’améliorer les intensités des faisceaux radioactifs, et notamment ceux constitués d'isotopes de vie courte, il est nécessaire de développer des cibles denses et poreuses, deux propriétés a priori antagonistes mais indispensables pour favoriser respectivement la quantité de fragments de fission produits et leur diffusion hors de la cible. Des résultats récents obtenus dans le cadre de projets européens ont démontré la possibilité d'obtenir des faisceaux de noyaux inaccessibles jusqu'à présent, grâce à des cibles réfractaires dotées d'une structure nanométrique. Une étude systématique des paramètres de fabrication (broyage et mélange des poudres précurseurs, pressage, épaisseur, carburation...) a conduit à la mise au point de protocoles de synthèse de cibles nano-structurées. Quatorze types d'échantillons différents ont ainsi été élaborés ; après avoir caractérisé leurs propriétés physico-chimiques, les échantillons ont été irradiés avec un faisceau de deutons délivré par l’accélérateur tandem du laboratoire et les fractions relâchées d'une quinzaine d'éléments ont été mesurées par spectrométrie gamma. L'analyse statistique des résultats, effectuée dans un cadre multidimensionnel, a permis d'établir des corrélations fortes entre les propriétés de relâchement et certaines propriétés structurales, notamment la porosité (quantité et répartition sur des pores de faible dimension), la taille des grains et des agrégats. / This thesis is part of the research and development program performed at the ALTO facility (Accélérateur Linéaire et Tandem d'Orsay) at the Institut de Physique Nucléaire d’Orsay (IPNO) in order to provide new beams of exotic neutron-rich nuclei, as intense as possible. The production of such beams will allow performing crucial experiments for the advancement of knowledge in the field of nuclear physics. At ALTO, the neutron-rich nuclei are produced by photofission in thick uranium carbide targets. To improve the radioactive beam intensities, in particular those formed by short-lived isotopes, it is necessary to develop dense and porous targets, two properties a priori antagonistic but essential to increase respectively the amount of fission fragments produced and their diffusion out of the target. Recent results obtained in the framework of European projects have demonstrated the possibility to obtain beams of nuclei unreachable up to now using refractory targets with a nanoscaled structure. A systematic study of the manufacturing parameters (grinding and mixing of precursor powders, pressing, thickness, carburization...) led us to develop synthesis protocols of nanostructured targets. Fourteen different samples were produced and their physicochemical properties have been characterized. Then the samples were irradiated with the deuteron beam delivered by the tandem accelerator of the laboratory and the released fractions of about fifteen elements were measured by gamma spectrometry. The statistical analysis of the results, carried out using a multivariate approach, allow us to establish strong correlations between the release properties and some structural properties, namely the porosity (quantity and distribution on small pores), the grain and aggregate size.

Le laboratoire TRIUMF se spécialise dans la production de faisceaux d’ions rares radioactifs qui sont fondamentaux en physique nucléaire et de la matière condensée, entre autres. TRIUMF construit présentement un accélérateur linéaire d’électrons supraconducteur de 50 MeV, 10 mA dans le cadre du projet ARIEL. Les électrons accélérés seront utilisés pour produire des faisceaux radioactifs par photo-désintégration. Le faisceau d’électrons est « converti » en photons par le rayonnement de freinage des électrons lorsqu’ils traversent un matériau de Z élevé placé directement devant la cible de production. La cible utilisée initialement sera du 9Be afin de produire du 8Li. Le 9Be est intégré dans un composé de BeO fabriqué à TRIUMF et conçu d’après les spécifications de l’IPN Orsay où les tests préliminaires prendront place pendant la construction d’ARIEL. La puissance déposée dans la cible et la production d’isotopes rares sont calculées avec le code de simulations Monte Carlo FLUKA. / The TRIUMF laboratory in Vancouver B.C. is a world leader in the production of rare radioactive ion beams. Such beams are fundamental in research for nuclear physics, nuclear astrophysics and solid state science among others. TRIUMF is constructing a 50 MeV, 10 mA superconducting electron linac as part of its ARIEL project. The accelerated electrons will be used to produce RIB through photodisintegration. The electron beam is “converted” into photons by braking radiation of the electrons passing through a high Z material placed immediately before the production target. The initial target to be employed is 9Be, used to produce a 8Li beam. The 9Be is imbedded in a BeO compound manufactured at TRIUMF and designed following specifications of IPN Orsay where the preliminary tests will be conducted while ARIEL is being constructed. Both the power deposition and rare isotope production rates were calculated using the Monte Carlo simulation package FLUKA.

La forme du noyau est une caractéristique fondamentale de la matière nucléaire. Les isotopes légers pairs-pairs du krypton possèdent la surprenante propriété de présenter deux minimas pour leur énergie potentielle correspondants à deux déformations opposées. Alors que l'état fondamental 0+ peut avoir une déformation allongée ou aplatie, un second minimum aplati ou allongé respectivement, se dessine à une énergie inférieure à 1 MeV. Un tel phénomène est appelé coexistence de formes. Une première indication expérimentale est l'observation du second minimum correspondant à un état 0+ excité. Celui-ci a été observé tout au long de la chaîne du krypton. Un calcul de mélange des configurations allongée et aplatie met en évidence un changement de forme important de l'état fondamental en fonction du nombre de neutrons. Celui-ci serait de déformation allongée pour les 76,74Kr et deviendrait aplati pour le 72Kr. Une mesure directe de la déformation de ces noyaux est l'étape indispensable pour confirmer ces hypothèses. Une série d'expériences d'excitation Coulombienne auprès du dispositif SPIRAL associé au multi-détecteur EXOGAM au GANIL a été réalisée. Lors de ces expériences, la statistique était suffisante pour extraire les moments quadripolaires intrinsèques de ces noyaux grâce au code GOSIA. Ils établissent le caractère allongé de l'état fondamental et un état excité aplati conformément au scénario de coexistence de formes. Une mesure par « plunger » des temps de vie des états excités complète cette étude. Une expérience a été réalisée à haute énergie auprès du spectromètre LISE au GANIL permettant une première estimation de la collectivité du noyau de 68Se qui présenterait les mêmes propriétés. L'ensemble des résultats obtenus est comparé à des calculs théoriques de type HFB+Sly6+GCM.

L'astrophysique nucléaire est la discipline scientifique qui étudie la production d'énergie et la synthèse des éléments (nucléosynthèse) dans les étoiles. Les réactions nucléaires entre des noyaux légers (A < 20-30) et des protons ou des particules alpha jouent un rôle fondamental. Elles produisent les éléments lourds à partir des éléments plus légers et permettent à l'étoile de dégager de l'énergie. Cette production d'énergie et des éléments explique à son tour la structure et l'évolution des étoiles et, donc de l'Univers. Quels que soient les processus considérés (nucléosynthèse primordiale, stellaire ou explosive) le calcul des abondances des éléments dans les étoiles requiert la connaissance de nombreuses sections efficaces de réactions nucléaires [B2FH57]. Les réactions nucléaires sous-coulombiennes entre noyaux légers interviennent au cœur des étoiles lors des phases de combustion de l'hydrogène et de l'hélium en équilibre hydrostatique. Dans des processus à température plus élevée (novae, supernovae, sursauts X) les éléments radioactifs sont largement impliqués dans le réseau de réactions, ce qui, d'autre part, amène des problèmes spécifiques aux expérimentateurs [Bla06]. Ma dissertation est une récapitulation des travaux expérimentaux et théoriques en astrophysique nucléaire que j'ai réalisés de janvier 1993 à janvier 2006 (cette thèse ne présente pas mes autres travaux en physique nucléaire, principalement sur la structure et les interactions des noyaux exotiques, voir par exemple [Ang03a, Raa04, Cas06]). Je présente quelques méthodes expérimentales en astrophysique nucléaire et je discute brièvement certains problèmes techniques liés aux mesures des sections efficaces très petites, et en particulier, au caractère spécifique de certains appareils (accélérateurs, spectromètres, etc.). Un premier exemple se rapporte à la mise au point de l'accélérateur de protons de 250 kV construit au CSNSM à Orsay (France) dont j'ai été responsable de la calibration [Bog94]. Ensuite, je présente les tests du spectromètre de recul ARES [Cou03] construit au Centre de Recherches du Cyclotron et l'étude d'une réaction d'intérêt astrophysique avec le premier faisceau radioactif produit par le cyclotron CYCLONE44 [Cou04]. Je discute également d'une manière générale les mesures de sections efficaces de réactions nucléaires par des méthodes directes et indirectes. Pour les méthodes directes, je me suis intéressée plus particulièrement aux mesures avec des faisceaux de protons très intenses (accélérateur de 100 kV au DTL-Bochum), ainsi qu'aux expériences avec des éléments radioactifs -cibles ou faisceaux- (CSNSM, Orsay et cyclotrons de Louvain-la-Neuve). Dans ce contexte, je présente plusieurs cas de réactions d'intérêt en astrophysique comme, par exemple, 9Be(p,gamma)10B [Zah95] (nucléosynthèse stellaire), 7Be(p,gamma)8B [Ham98, Ham01] (liée au problème du neutrino solaire), 7Be(p,p)7Be [Ang03b] (liée à la réaction 7Be(p,?)8B), 18F(p,alpha)15O [Ser03] (nucléosynthèse explosive dans les novae), 7Be(d,p)2alpha [Ang05a] (nucléosynthèse du Big Bang). Quand une mesure directe est très difficile à réaliser, il existe des méthodes indirectes comme, par exemple, les réactions de transfert. Elles sont utiles, entre autres, dans l'étude des largeurs alpha des états d'importance astrophysique de certains noyaux. Je discute les cas du 19F (nucléosynthèse du fluor) étudié par la réaction 15N(7Li,t)19F [Oli95] et du 19Ne (nucléosynthèse dans les novae) étudié avec 18F(d,p)19F [Ser03]. Un traitement théorique rigoureux de la dépendance en énergie des sections efficaces est nécessaire pour extrapoler ces dernières aux énergies caractéristiques des processus astrophysiques, à partir des sections efficaces expérimentales (prises à des énergies plus élevées). Un des effets dont il faut tenir compte pour ces extrapolations est l'effet d'écrantage électronique en laboratoire [Ass87] qui devient important à des énergies très basses (< 10-20 keV). Parmi les différents modèles théoriques généralement appliqués aux réactions d'intérêt astrophysique, je me suis spécialement intéressée à la méthode de la matrice R [Lan58]. Cette approche contient des paramètres ajustables sur les sections efficaces disponibles, et les valeurs des sections efficaces aux énergies stellaires sont obtenues par extrapolation. Je présente l'étude de l'écrantage électronique de réactions non-résonnantes en appliquant le modèle de la matrice R [Ang98]. Je montre également son application à deux réactions de capture radiative importantes en astrophysique, 12C(alpha,gamma)16O [Ang00] et 14N(p,gamma)15O [Ang01]. L'analyse de la réaction 14N(p,gamma)15O est discutée en détails [For04, Run04, Ang05b]. Elle joue un rôle important dans la détermination de l'âge des amas globulaires, donc dans la détermination de l'âge de l'Univers [Deg04], et dans la nucléosynthèse dans des étoiles géantes rouges [Her06]. Finalement, je discute l'importance des bases de données pour l'astrophysique nucléaire, et en particulier, des compilations de taux de réactions. Je présente la compilation de taux de réactions la plus récente [Ang99], que j'ai coordonnée pendant mon séjour à l'Université Libre de Bruxelles (1995-1998) dans le cadre d'une collaboration entre 10 laboratoires européens (cette publication a actuellement plus de 350 citations à la date de mai 2006). Je présente aussi une compilation des réactions les plus importantes impliquées dans la nucléosynthèse du Big Bang [Des04] et une évaluation de l'effet des nouveaux taux de réactions sur la valeur de la densité baryonique de l'univers [Coc04]. Les conclusions situent ces travaux dans leur contexte actuel.