ISOLDE : expérience IS603

Figure 2.4 – Schéma des signaux provenant d’un amplicateur et effet sur le pic photoélectrique. A gauche, un signal est observé et il n’y a pas d’empilement. Le pic photoélectrique est de forme gaussienne. A droite, deux signaux se superposent et donnent un empilement (“pile-up” en anglais). L’écart en temps entre les signaux est la cause de la variation de l’amplitude du signal ce qui induit une forme gaussienne avec une traîne.

le spectre en énergie, par une forme de gaussienne déformée avec une traîne (en bas à droite, fig. 2.4). On peut noter que la réduction du temps de mise en forme du signal (“shaping time” en anglais) donne lieu à une différenciation plus marquée des signaux et à la diminution du nombre d’empilement. Cependant, cette réduction du temps de mise en forme donne lieu à une largeur σ des pics en énergie qui augmente. Par conséquent, plusieurs pics en énergie peuvent se superposer ce qui augmente l’erreur sur leur intégrale. Sachant que nous avons l’intention d’estimer précisément le nombre de photons, le choix de cette valeur est primordiale. Pour pallier une dépendance systématique de celle-ci, nous l’avons modifiée au cours de l’acquisition (périodes de prise de données, “runs” en anglais). Les deux valeurs utilisées de temps de mise en forme du signal sont : 1 et 2 µs.

De ce fait, le pic de 1022 keV provenant de la décroissance radiative de l’état 0+ du 10B dont nous devons mesurer l’intensité n’est pas uniquement composé des photons d’intérêt mais aussi de l’empilement de deux événements de photons de 511 keV dont la somme donne la même valeur en énergie. Ces événements ne doivent pas faire partie du calcul, nous avons donc besoin de soustraire ceux-ci de l’intégrale. Pour évaluer leur contributions, une étude de l’empilement en condition réelle est nécessaire. Pour cela, un autre noyau équivalant au10C, le19N e, est alors étudié. Comme son schéma de décroissance (fig. 2.5) permet de le constater, ce noyau possède une demi-vie, une chaleur de réaction et un type de décroissance β similaires au noyau d’intérêt. Par contre, son noyau fils n’émet pas de photons de 1022 keV. Dès lors, on peut faire l’hypothèse que l’apparition d’un pic à 1022 keV dans le spectre en énergie du 19N e ne sera due qu’à la somme de deux photons de 511 keV provenant de l’annihilation d’un positron. Pour ces raisons, deux réglages du HRS et de la ligne de faisceau ont été réalisés : la séparation de la masse 19 dans le but d’estimer grâce au19N ele nombre et la distribution exacte d’événements provenant de l’annihilation afin de la soustraire des données obtenues avec le10Cet la masse 10 de manière à déterminer le rapport d’embranchement du 10C. Afin de comprendre la manière dont sont obtenus ces faisceaux à ISOLDE, dans la prochaine section, nous allons présenter les moyens de productions et de séparations de ces noyaux.

2.2 ISOLDE : expérience IS603

L’étude de noyaux exotiques nous contraint souvent à l’élaboration de plusieurs étapes avant leur analyse. Cette section permet d’introduire celles essentielles à l’accomplissement de cette

19

Ne

F

β

Figure 2.5 – Niveaux d’énergie du ¹⁹F lors de la décroissance β+ du 19N e. En haut : le noyau père avec les informations sur les chaleurs de réactions Qβ, le temps de demi-vie T1/2 en vert, les états Jπ et les rapports d’embranchements des voies de décroissance (ici, seulement β). En bas : Les niveaux peuplés par la décroissance. Aucun des niveaux excités du 19F n’émet des photons de 1022 keV ou équivalent. Si un pic apparaît à cette énergie, cela provient donc d’un empilement de photons de 511 keV.

expérience. Par conséquent, dans la première partie, nous décrirons les techniques de production à ISOLDE. Ensuite, nous introduirons brièvement les méthodes de séparation et préparation du faisceau pour cette expérience tout en gardant la description détaillée de celles-ci pour la seconde partie de la thèse qui porte sur les développements techniques de la ligne PIPERADE au CENBG.

2.2.1 Production des noyaux

A ISOLDE, la production des noyaux utilise la méthode “ISOL” (Isotope Separation On-Line). Contrairement à la méthode “en vol”, celle-ci exploite des cibles épaisses pour produire les noyaux. Ceux-ci sont ensuite extraits, ionisés et réaccélérés. Avant cela, afin de parvenir à produire des faisceaux de forte intensité, la manipulation de projectiles très énergétiques est nécessaire. Dans le cas du CERN, ceux-ci sont des protons regroupés en paquet et accélérés jus-qu’à 1.4 GeV par le premier ensemble d’accéléracteurs composé du LINAC 2 et du synchroton BOOSTER (PSB) (fig. 2.6).

Ensuite, ces paquets sont dirigés vers le hall ISOLDE dont la partie sud du bâtiment est présentée sur la figure 2.7. L’arrivée des protons peut-être réalisée via deux lignes d’injection (extrémité droite, fig. 2.7) aboutissant sur leurs cibles respectives. Celles-ci permettent de choisir

2.2. ISOLDE : EXPÉRIENCE IS603 33

Figure 2.6 – Schéma du premier ensemble d’accélération qui comprend l’accélérateur linéaire LINAC 2 utilisé pour les faisceaux de protons, le synchrotron BOOSTER (PSB) et le Proton Synchrotron (PS). Les flèches bleue et verte représentent respectivement les faisceaux protons et de plomb. Concernant ISOLDE, seul le LINAC2 et le PSB fournissent les protons.

parmi deux séparateurs : le “General Purpose Separator” (GPS) et le “High Resolution Separator” (HRS). A posteriori, l’ensemble rejoint la ligne principale afin de désservir les zones expérimen-tales.

Figure 2.7 – Plan 3D des lignes de faisceaux du hall ISOLDE. En haut à droite : les deux lignes d’injection des faisceaux protons terminant sur des cibles (encerclé en rouge). Ensuite, chacune posséde un séparateur (entouré en jaune) : le “General Purpose Separator” (GPS) et le “High Resolution Separator” (HRS). Pour la ligne du HRS, un quadrupole radiofréquence ISCOOL est incorporé. Enfin, les deux axes se rejoignent afin de désservir l’arête principale. Le parcours du faisceau de la cible à la zone “LA1” est en vert pour le faisceau ainsi produit.

Afin de parvenir à la pureté de faisceau souhaitée pour notre expérience, nous avons tiré parti de la cible-source “VADIS” [21] et la ligne d’injection du séparateur “HRS” associée. Par la suite, nous avons transporté les noyaux produits vers notre dispositif situé sur la zone “LA1”.

Description et fonctionnement de l’ensemble cible-source VADIS

L’ensemble cible-source utilisée à ISOLDE pour l’expérience est une source de type FE-BIAD [22] constituée d’un tube où un materiau est installé. Par réaction avec la matière cible, le faisceau produit des fragments de noyaux ou molécules qui sont ensuite extraits et ionisés. Dans le cadre de la production de nos noyaux d’intérêts (10C et du 19N e), le composé utilisé est une

nanostructure d’oxide de calcium (CaO) permettant de générer une large gamme de produits de réactions allant de l’hydrogène à la molécule de CaO (fig. 2.8).

Figure 2.8 – Représentation de l’intensité du faisceau observée en fonction du rapport masse sur charge pour les noyaux produits à partir de réactions à très haute énergie du faisceau de protons sur l’oxide de calcium dans la cible-source VADIS [21]. On remarque que la gamme de noyaux produits à partir de ces réactions est comprise entre l’hydrogène et des molécules de rapport M/q ∼ 50. Source [23].

Sachant que nos études nécessitent seulement une partie de ce large éventail de noyaux, la purification de ce faisceau est donc obligatoire.

2.2.2 Sélection avec le HRS

Le séparateur HRS est un dispositif composé de deux aimants et d’un ensemble d’optiques qui permet de séparer les noyaux avec un pouvoir de résolution en masse qui peut atteindre m/∆m ∼ 5000 (explications de ce terme dans la partie II). Les aimants ont pour effet de disperser les noyaux de telle sorte que chaque position sur le plan focal correspond à une masse. Pour une valeur de champ magnétique, la partie du faisceau désirée est centrée et passe par une fente de sélection. Afin de régler ces éléments, un logiciel orienté utilisateur a été dévéloppé (fig. 2.9). Il sert à définir le champ magnétique à partir de la valeur de la masse d’intérêt. En vue de calculer celui à appliquer, l’équation 2.5 est développée telle que :

Bρ = ^p q ⁼ √ 2mE q ⁼ s 2mV q (2.5)

où B est le champ magnétique, ρ est le rayon de courbure de l’aimant, p est l’impulsion du noyau d’intérêt, q est la charge, E est l’énergie du faisceau, V est la tension d’extraction appliquée ou la différence de potentiel qui permet d’accélérer le faisceau en sortie de source (30 kV pour notre expérience) et m est la masse du noyau d’intérêt. Le champ B doit être choisi de telle sorte que le rayon de la trajectoire des particules d’intérêt correspond à ρ. Ainsi, par l’intermédiaire de fentes, seules ces particules sont sélectionnées. Par conséquent, une fois les constantes remplacées par leurs valeurs numériques, l’équation 2.6 permet de définir le champ magnétique.

B = s V 6 × 104 A F (2.6)

avec A la masse du noyau en unité de masse atomique et F est un facteur de correction appelé “facteur de masse”.