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Faisceaux radioactifs

Le projet ALTO (Accélérateur Linéaire auprès du Tandem d’Orsay) consiste en l’installation d’un accélérateur d’électrons (10-50 MeV, 10µA) dans les aires expérimentales du Tandem de l’IPN.

L’étude des noyaux loin de la stabilité est constitutive de l’histoire de la physique nucléaire dès son origine, et connaît un essor considérable. Parmi les nucléides les plus éphémères, ceux situés aux frontières de notre connaissance sont qualifiés d’ « exotiques ». Etudier ces noyaux, c’est se donner la chance d’accéder à des informations nouvelles sur la structure nucléaire et ainsi mesurer la solidité de notre conception de la matière nucléaire et sa validité lorsque cette dernière est poussée dans des états « extrêmes ».

Cette quête ne date pas d’hier. Les premiers noyaux exotiques (en leur temps) ont été découverts en 1934. Ce sont les premiers radioéléments artificiels produits par Irène et Frédéric Joliot-Curie, fondateurs de l’Institut de Physique Nucléaire, noyaux de 13N, 30P et 27Si obtenus en bombardant des cibles de bore, d’aluminium et de magnésium avec les a de la radioactivité spontanée du radium.

  • Ainsi pour la première fois dans l’histoire, des êtres humains créaient de nouveaux noyaux de vies trop courtes pour avoir subsisté sur terre depuis leur formation dans les chaudrons cosmiques que sont les étoiles.
  • Comment produit-t-on des noyaux radioactifs ? Produire c’est d ‘une part mettre en jeu la réaction nucléaire susceptible de créer les noyaux d’intérêt, mais également rendre disponibles ces noyaux fraîchement créés pour l’expérience. Pour qu’une réaction nucléaire ait lieu il est nécessaire que deux noyaux entrent en contact, plus ou moins violemment ; en général un noyau projectile est envoyé sur un noyau cible. Historiquement, comme dans l’expérience des Joliot l’énergie fournie aux projectiles était d’origine « naturelle » : les particules alpha de la radioactivité naturelle, puis les neutrons produits eux même par transmutation ; mais très vite, afin de diversifier les projectile et les énergies disponibles (et donc les réactions nucléaires possibles) l’homme a fourni lui-même cette énergie en construisant des accélérateurs.
  • Les avancées dans la production de noyaux exotiques se sont ainsi faites au rythme du développement des technologies d’accélérateurs et de l’augmentation des connaissances des mécanismes de réaction.

Les difficultés inhérentes aux techniques de production des noyaux exotiques ont laissé en particulier une grande part des noyaux riches en neutrons dans l’inconnu. Afin d’accéder à ces réserves de découvertes intactes, il est nécessaire de produire ces noyaux exotiques non seulement en plus grande quantité possible mais aussi sous forme de faisceaux accélérés. Les problèmes que soulève la mise en œuvre de tels faisceaux d’ions radioactifs suscite à l’heure actuelle un énorme effort de recherche et développement au sein de notre discipline.

Depuis plusieurs années, l’Institut de Physique Nucléaire d’Orsay s’est montré à la pointe en ce domaine grâce au programme PARRNe.

La réaction nucléaire choisie pour produire les noyaux exotiques dans le cadre de PARRNe est la fission de l’U238. Les noyaux produits par la fission sont dits « de masse intermédiaire » et sont très excédentaires en neutrons. La technique de « mise à disposition » de ces noyaux retenue est celle dite « en cible épaisse » ou méthode ISOL (peut être mettre un encart). Le programme a donc pour objectif la détermination des conditions optimales de production des noyaux riches en neutrons issus de la fission de l’U238 par la technique ISOL.

Toutes les expériences du programme PARRNe obéissent au même principe : l’uranium se situe dans une cible (épaisse), cette cible est bombardée par des projectiles susceptibles de provoquer la fission de 238U, c’est à dire, en l’état d’avancement du programme, des neutrons rapides. Les neutrons rapides sont obtenus en arrêtant le faisceau de deutons du tandem accéléré à une énergie de 26 MeV dans un convertisseur. Les deutons se cassent à l’intérieur de ce convertisseur, libérant les neutrons rapides essentiellement vers l’avant avec une énergie à peu près égale à la moitié de l’énergie incidente. Lors de la réaction, les produits de la fission apparaissent sous forme atomique dans la cible, la difficulté est ensuite de les en faire sortir pour éventuellement les ioniser et ainsi pouvoir les accélérer. La facilité avec laquelle les éléments produits lors de la fission sortent de la cible dépend de leurs propriétés physico-chimiques.

L’optimisation des conditions de production passe donc par l’optimisation des conditions de la fission (l’énergie et la nature du faisceau incident, le type et la géométrie du convertisseur, la structure de la cible) et par l’optimisation des conditions d’extraction et d’ionisation des produits de fission (optimisation de l’ensemble cible-source d’ions). Pour mettre en œuvre ce programme une ligne de type ISOL, dotée d’un séparateur en masse, a été installée au TANDEM. Ce montage permet de s’approcher au mieux des conditions expérimentales qui seront rencontrées sur la future installation SPIRAL 2 au GANIL. Les résultats obtenus avec les faisceaux du tandem ont été tels qu’il a été possible d’initier un programme de physique original auprès de cet outil initialement destiné à des études de R&D.

Très rapidement, l’ensemble de ces succès a mis an évidence la nécessité d’augmenter de manière significative les productions de noyaux exotiques auprès de PARRNe. L’idée de remplacer les neutrons produits par le tandem et induisant la fission par des gammas (on parle alors de photofission) est apparue comme évidente. Les photons g sont obtenus par le rayonnement de freinage (bremsstrahlung) d’électrons à l’intérieur d’un convertisseur. Afin de tester la pertinence du remplacement du projectile neutron par des photons, nous avons effectué une expérience auprès du LIL, l’injecteur du LEP au CERN. Le faisceau d’électron de 50 MeV fourni par cet injecteur nous a permis de tester la production des gaz rares par photofission dans les mêmes conditions que lors d’expériences précédentes avec des neutrons. Les résultats obtenus montrent de manière non ambiguë que l’option électrons est comparable au niveau de la production avec l’option deutons. Le coût, plus faible, d’un accélérateur d’électrons et la facilité avec laquelle il est possible d’obtenir des faisceaux intenses rend donc cette option très séduisante. Le LEP est désormais en cours de démantèlement et un hasard de l’histoire aura dédié la dernière impulsion d’électrons de la vie de cet injecteur dans le vaste complexe-accélérateurs du CERN, à une expérience de physique nucléaire. L’installation de cet injecteur dans les aires expérimentales du tandem permettrait d’obtenir un gain d’un facteur 100 dans les productions de noyaux exotiques. Les instances scientifiques du CERN, sollicitées par de nombreux laboratoires internationaux, impressionnées par les résultats de notre expérience, ont décidé de céder cet accélérateur à l’IPN suite à l’arrêt du LEP.

Le projet ALTO naissait.

L’Institut de Physique Nucléaire profite ainsi de la possibilité de compléter les installations du tandem et du dispositif PARNNe par un accélérateur d’électrons de 50 MeV d’énergie et de 10 µA de courant moyen. L’intensité (nombre de fissions par seconde) est du même ordre de grandeur que sur les autres machines existantes : ISOLDE, OSIRIS, HRIBF. La combinaison d’une production par pure fission à basse énergie, sans contaminations par des isobares déficitaires en neutrons, et la possibilité d’utiliser des sources d’ions chimiquement sélectives assure pour ALTO une niche importante pour les faisceaux uniques en pureté d’une trentaine de « nouveaux » isotopes très riches en neutrons.

Les axes majeurs de la physique étudiés auprès d’ALTO sont l’étude de la magicité des noyaux riches en neutrons, l’étude du processus r en astrophysique nucléaire, la mesure de propriétés fondamentales de noyaux très exotiques tels que la forme ou la masse.

ALTO a également pour vocation d’être un banc d’essai pour les futures installations de faisceaux exotiques SPIRAL2 et EURISOL. En effet, puisque l’un des points les plus sensibles de ces deux projets concerne l’optimisation des ensembles cibles sources dont dépend directement la production des noyaux exotiques les travaux menés sur ce sujet auprès d’ALTO permettront de produire les faisceaux SPIRAL2 dans des conditions optimales.

Par ailleurs, avec ALTO, nous réalisons un appareillage qui vient conforter la politique d’ouverture pluridisciplinaire du Tandem d’Orsay, que ce soit en terme d’applications à la chimie, la biologie, la physique atomique et de la matière condensée, qu’en terme d’applications industrielles, tels la validation de composants pour le spatial.

The neutron-rich nuclear beams are produced ...


 

IPN

Institut de Physique Nucléaire Orsay - 15 rue Georges CLEMENCEAU - 91406 ORSAY (FRANCE)
UMR 8608 - CNRS/IN2P3

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