Design, simulations and test of a Time-of-Flight spectrometer for mass measurement of exotic beams from SPIRAL1/SPIRAL2 and γ-ray spectroscopy of N=Z nuclei close to $^{100}$Sn
Conception, simulations et test d'un spectromètre de masse par temps de vol pour la mesure de masse d'ions exotiques auprès des installations SPIRAL1/SPIRAL2 et spectroscopie gamma de noyaux N=Z au voisinage du noyau $^{100}$Sn
Résumé
The new generation of nuclear facilities calls for new technological developments to produce,
accelerate, manipulate and analyse exotic nuclei. The main topic of this thesis work was the
simulation, design and test of a Multi-Reflection Time-of-Flight Mass spectrometer (MR-ToFMS)
for fast mass separation and fast mass measurement of radioactive ions in the installations S3
and DESIR at SPIRAL2. Such a device could separate isobaric nuclei and provide SPIRAL2 with
high purity beams. Also, its mass measurement capabilities would help to determine binding
energies of exotic and superheavy nuclei with a high precision. This apparatus has been simulated
with the SIMION 8.1 software and designed accordingly. First offline tests have been performed
with a stable ion source at LPC Caen. In addition a low-aberration electrostatic deflector has been
simulated and designed to operate with this MR-ToF-MS without spoiling its performances. This
work also describes the analysis and results of the first online tests of a FEBIAD-type ion source
intended to provide SPIRAL1 and SPIRAL2 radioactive beams of competitive intensities. Finally,
we describe the analysis of a nuclear physics experiment, including the calibration of the different
detectors and the gamma-spectroscopy of nuclei in the vicinity of the doubly magic 100Sn.
La nouvelle génération d’installations nucléaires nécessite un renouveau technologique pour
produire, accélérer, manipuler et analyser des noyaux exotiques. L’objectif principal de ce travail
de thèse était de simuler, concevoir et tester un spectromètre de masse par temps de vol à multiréflexions
(MR-ToF-MS) dédié à la séparation en masse et la mesure de masse rapide d’ions
radioactifs auprès des installations S3 et DESIR de SPIRAL2. Ce dispositif pourrait séparer des
noyaux isobares et fournir à SPIRAL2 des faisceaux très purs. De plus ses capacités de mesure de
masse permettraient de déterminer très précisément l’énergie de liaison de certains noyaux
exotiques ou super-lourds. Cet instrument a été simulé à l’aide du logiciel SIMION 8.1 et conçu
en fonction de ces simulations. Les premiers tests hors-lignes ont été faits avec une source d’ions
stable au LPC Caen. Ce travail de thèse comprend également la simulation et la conception d’un
déflecteur électrostatique censé être utilisé avant ou après le MR-ToF-MS et n’introduisant que
peu d’aberrations optiques pour ne pas gâcher les performances de ce dernier. Ce travail décrit
aussi l’analyse et les résultats des premiers tests en ligne d’une source d’ions de type FEBIAD
censée fournir des faisceaux radioactifs d’intensités compétitives aux installations SPIRAL1 et
SPIRAL2. Enfin, nous décrivons l’analyse d’une expérience de physique nucléaire, ce qui inclue
la calibration des différents détecteurs et la spectroscopie gamma de noyaux au voisinage du
noyau doublement magique 100Sn.