2.2.1 Produire un faisceau radioactif à Riken
La production de faisceaux d’ions aussi exotiques que ceux nécessaires à l’étude des iso-topes d’Azote les plus riches en neutrons (24
O,26
F,27
F...) s’effectue en plusieurs étapes. En premier lieu, on crée un faisceau d’ions stables (ici de 48
Ca) à partir de l’ionisation d’un matériau qui est généralement raffiné afin d’augmenter la concentration de l’isotope d’in-térêt. Les ions ainsi créés sont extraits du plasma produit à l’aide de champs électriques, puis conduits vers l’installation dédiée à leur accélération (cyclotrons et accélérateurs linéaires). Ces équipements utilisent de forts champs électrique afin d’accélérer les ions tandis que des aimants permettent d’assurer la conduction du faisceau en courbant sa trajectoire grâce aux champs magnétiques qu’ils engendrent.
A partir d’un faisceau d’ions stables, il existe différentes techniques pour produire un faisceau d’ions radioactifs. Au laboratoire du Riken le choix s’est porté sur la
tech-Figure 2.1 – Vue schématique représentant les différentes étapes nécessaires à la réa-lisation d’une expérience utilisant un faisceau radioactif.
nique dite de fragmentation en vol. Cette dernière consiste à envoyer un faisceau d’ions stables à grande vitesse (ici 345 MeV/nucléon) sur une cible mince (dans le cas de Samurai-DayOne, une cible de Beryllium a été utilisée). La collision des noyaux du faisceau et de la cible provoque des réactions nucléaires qui émettent des ions radioactifs de masse et de charge plus faibles que celles du projectile. Le faisceau ainsi produit, dit cocktail du fait de la grande variété d’espèces qui le composent, traverse la cible et, cette dernière étant suffisamment fine, poursuit sa trajectoire à une vitesse proche de sa valeur initiale.
La fragmentation en vol est particulièrement adaptée à l’étude de noyaux dont la durée de vie est très courte. En effets, les noyaux radioactifs produits par cette méthode sont dès leur création dotés d’une vitesse proche de la vitesse faisceau (soit dans notre cas environ 60% de la vitesse de la lumière) et peuvent ainsi être rapidement transportés au zones expérimentales. Les inconvénients de cette méthode étant la nature très cocktail du faisceau produit qui complexifie l’identification de la réaction d’intérêt ainsi que la largeur de la distribution en vitesse des ions produits.
2.2.2 L’accélérateur du Riken : RIBF
L’installation produisant le faisceau primaire au Riken est nommée RIBF (Radioactive Ion Beam Factory) et présentée en figure 2.2. Sa partie la plus ancienne (début des an-nées 1990 [31]), appelée RARF (Riken Accelerator Research Facility), est composée d’un cyclotron à secteurs séparés (RRC) ainsi que de deux injecteurs : un accélérateur linéaire (RILAC) et un cyclotron (AVF). Afin d’étendre les capacités de l’accélérateur et "l’exo-tisme" des noyaux étudiables au Riken, trois cyclotrons à secteurs séparés (fRC,IRC et SRC) ont été ajoutés à l’installation déjà existante. Le RILAC2, un accélérateur linéaire, a également été construit afin d’obtenir des faisceaux très intenses d’ions lourds (U,Xe...). L’ensemble de l’installation permet d’avoir accès à une vaste gamma d’ions stables à une intensité de l’ordre de 1012 particules par seconde (pps) [32]. L’énergie maximale de ces faisceaux dépend de l’isotope considéré mais varie entre 350 et 440 MeV/nucléon. Durant Samurai-DayOne, le faisceau primaire contenait du 48
Ca à 345 MeV/nucléon et avait une intensité d’environ 8 × 1011pps.
2.2. La production des noyaux d’intérêt
Figure 2.2 – Vue schématique de l’installation RIBF au Riken. Durant la campagne Samurai-DayOne, un faisceau d’ions de 48Ca a été accéléré à partir de l’accélérateur linéaire RILAC jusqu’au cyclotron SRC. Après fragmentation sur la cyble de Be, le fais-ceau radioactif a été trié dans le séparateur de fragments BigRips avant d’être envoyé dans l’aire expérimentale de SAMURAI.
2.2.3 Le séparateur de fragments : BigRips
Le faisceau primaire produit par le RIBF est fragmenté en un cocktail de noyaux contenant dans des proportions diverses un ensemble très large de noyaux de charges et de masses inférieures à celle de l’isotope primaire. Or seule une petite fraction de ce cocktail est intéressante pour les études menées lors de la campagne. Le temps de réponse des détecteurs de la chaîne d’acquisition n’étant pas nul, il est important de faire un tri des isotopes d’intérêt afin de ne pas saturer les détecteurs d’informations concernant des noyaux qui ne seront pas étudiés : c’est le rôle du séparateur de fragments BigRips. Ce dernier est constitué de différents aimants dont le champ magnétique courbe la trajectoire des ions. La courbure de chaque isotope dépend de sa charge, sa masse et sa vitesse. On définit alors sa rigidité magnétique (Bρ) comme le produit de la courbure de la trajectoire par le champ magnétique :
Bρ = p Q = γmv Q ∼ A Z ua e γv, (2.1)
où p représente la quantité de mouvement de la particule, v sa vitesse, γ le facteur de Lorenz associé, Q sa charge, m sa masse, Z son numéro atomique et A son nombre de masse. ua et e sont respectivement la constante de masse atomique et la charge de l’électron. Grâce à cette relation, on peut, en modifiant la valeur des champs magnétiques successifs le long de la ligne de BigRips ainsi qu’en insérant des fentes horizontales sur la trajectoire du faisceau, ne sélectionner qu’une partie des isotopes du cocktail de départ.
Une vue de BigRips est présentée dans la figure 2.3. Cette ligne, qui s’étale sur plus de 75 m, est composée de sept dipôles supraconducteurs (labellisés D1 à D7) disposés entre la cible primaire (F0) et le plan focal F7. A ces dipôles sont ajoutés des quadrupôles (STQ1-25) dont le rôle est de focaliser le faisceau afin de minimiser les pertes durant son transport le long de la ligne.
Figure 2.3 – Vue schématique du séparateur de fragments BigRips. Les différents dipôles sont labellisés D1 à D7, tandis que les quadrupôles qui permetttent la focalisations du faisceaux sont numérotés STQ1 à STQ25.