Sections efficaces neutroniques via la méthode de substitution Guillaume Boutoux Thèse réalisée...
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Sections efficaces neutroniques via la méthode de substitution
Guillaume Boutoux
Thèse réalisée au:CENBG (CNRS/IN2P3) – Université Bordeaux 1
Gradignan, Vendredi 25 Novembre 2011
Soutenance de thèse
Rapporteurs: M. Frank Gunsing CEA SaclayM. Laurent Tassan-Got CNRS IPN Orsay
Examinateurs: M. Philippe Moretto Univ. Bx 1 CENBGM. Pascal Romain CEA DAM DIFM. Olivier Sérot CEA Cadarache
Directeur de thèse: M. Gérard Barreau CNRS CENBGCo-encadrante: Mme Béatriz Jurado CNRS CENBG
1/29Plan
La méthode de substitution
● Principe et validité de la méthode
Expérience de validation dédiée à la capture radiative 174Yb(3He,xγ)
● Dispositif expérimental● Analyse des données
Interprétation des résultats● Distributions de spin-parité dans les réactions de transfert● Avancées sur la compréhension de la méthode
Perspectives et Conclusions
Motivations
Soutenance de thèse Guillaume Boutoux 25/11/2011
Nucléaire du futur:
● Transmutation des actinides mineurs● Cycle 232Th/233U
Besoin de σ(n,f) et σ(n,γ) dans la gamme d’énergie 1 keV < En
< 10 MeV
Noyaux stables
Noyaux connus
Astrophysique nucléaire:
● s-process et r-process
Mesures très difficiles – Noyaux très radioactifs!
Besoin de σ(n,γ)
s-process
22/31Motivations: les données nucléaires
Soutenance de thèse Guillaume Boutoux 25/11/2011
AX
neutron
A+1X*
fission
γneutron
Voie
d’e
ntr
ée
FO
RM
ATIO
N
Voie
de s
ort
ieD
ES
EX
CIT
ATIO
N1 1
( , ),
( *) ( *, , ). ( *, , )A A An
J
E E J G E J
FORMATIO
N DESEXCITATION
indépendance
Formationd’un noyau composé
(MODELE STATISTIQUE)
3/29Réactions induites par neutrons
Soutenance de thèse Guillaume Boutoux 25/11/2011
Formation du noyau composé:
● E*≈En+Sn
● Toutes les configurations d’états du noyau excité sont équiprobables
Désexcitation du noyau composé:
● Hypothèse de Bohr● Modèle statistique dépendant de (E*,J,π)
(MODELE OPTIQUE)
AX
neutron
A+1X*
fission
γneutron
Y
particule chargée (p, d, t , 3He, α) éjectile
4/29La méthode de substitution (ou « surrogate »)
Réactions « surrogate »:
● Réaction de transfert ou diffusion inélastique (ex: (p,p’), (d,p), (3He,α), …)
Mesure de la probabilité de désexcitation: 1( *)AP E
1 1( , ) ( *) ( *). ( *)A A An E E P E
CALCUL MESURE (réaction surrogate)(MODELE OPTIQUE)
(Cramer & Britt, 1970)
Soutenance de thèse Guillaume Boutoux 25/11/2011
Deux hypothèses fondamentales:1/ Formation d’un noyau composé 2/ Même probabilité de désexcitation
5/29La validité de la méthode de substitution
1 1,
1
,
( *) ( *, , ) ( *,. , )An
Jn
AA F E J EE GP J
1 1
,1
,
( *) ( *, , ) ( *,. , )As
Js
AA F E J EE GP J
Réactions induites par neutrons
Réactions « surrogate »
1er cas: Distributions de spins similaires
● Hypothèse peu probable à basse énergie
1 1( *, , ( *,) , )AAn sF E J F E J
2eme cas: La probabilité de décroitre est indépendante des spins et parités peuplés
● Hypothèse valide aux énergies d’excitation où la décroissance est dominée par la densité de niveaux
1 1( * ( *), , ) AAG E J G E
E*
conti
nuum
Etats discrets très sélectifs
Etats du continuum
1 1, ,( *) ( *)An
AsP E P E
Soutenance de thèse Guillaume Boutoux 25/11/2011
?
La densité de niveaux à E*≈Sn assure un fort couplage des configurations d’états du noyau excité
les noyaux formés sont majoritairement des noyaux composés
=
De nombreuses expériences ont permis de tester la méthode de substitution.
243Am(3He,αf)242Am* 243Am(3He,tf)243Cm*
T1/2=163 jT1/2=432 a
6/29Comparaison avec des données neutroniques (fission)
Grégoire Kessedjian, PLB (2010)
T1/2=7370 a243
Am
3He
α t
● Très bon accord même à basse énergie neutron
Soutenance de thèse Guillaume Boutoux 25/11/2011
7/29Etat de l’art (fission)
● En général, très bon accord (<10%) au seuil de fission Bf et au delà
Réaction « surrogate »
Réaction désirée Référence
(p,p’f),(d,pf)
(t,pf), (t,df)(3He,pf), (3He,df),
(3He,tf)
230-234Th(n,f), 229-232Pa(n,f)
232-240U(n,f), 232-238Np(n,f) 236-244Pu(n,f), 238-
247Am(n,f)244-250Cm(n,f), 244-
246Bk(n,f)252-253Cf(n,f), 255-256Es(n,f)
J.D. Cramer et al. (1970) B.B. Back et al. (1974)H.C. Britt et al (1979)
(Los Alamos)
232Th(3He,pf)234Pa*232Th(3He,tf)232Pa*232Th(3He,αf)231Th*
233Pa(n,f)231Pa(n,f)230Th(n,f)
M. Petit et al. (2004) (CENBG)
238U(3He,αf)237U* 236U(n,f) B.F. Lyles et al. (2007) (Livermore/Berkeley)
238U(3He,tf)237Np* 237Np(n,f) M.S. Basunia et al. (2009)(Livermore/Berkeley)
243Am(3He,df)244Cm*243Am(3He,tf)243Cm*243Am(3He,αf)242Am*
243Cm(n,f)242Cm(n,f)241Am(n,f)
G. Kessedjian et al. (2010) (CENBG)
Soutenance de thèse Guillaume Boutoux 25/11/2011
8/29Etat de l’art (capture radiative)
● Peu d’expériences dédiées à la capture radiative● Manque de données neutroniques pour comparaison● Forte sensibilité au spin-parité● Surestimation des données surrogate d’un facteur 3-5
Réaction « surrogate »
Réaction désirée Référence
232Th(3He,pγ)234Pa* 233Pa(n,γ) S. Boyer et al. (2006) (CENBG)
238U(α,α’ γ)238U* 237U(n,γ) L. Bernstein et al. (2006) (Livermore/Berkeley)
154Gd(p,p’γ)154Gd*156Gd(p,p’γ)156Gd*158Gd(p,p’γ)158Gd*
153Gd(n, γ)155Gd(n, γ)157Gd(n, γ)
N.D. Scielzo et al. (2010)(Livermore/Berkeley)
232Th(d,pγ)233Th* 232Th(n,γ) J. Wilson et al. (2011) (IPN Orsay /Oslo)
● Choix d’une expérience complémentaire où: la fission ne fait pas partie des voies de désexcitation le dispositif expérimental est très complet
Soutenance de thèse Guillaume Boutoux 25/11/2011
69/29L’expérience 3He + 174Yb
176Lu
175Lu 174Lu
173Yb
174Yb3He
(3He,p)
(3He,d) (3He,t)
(3He,α)
175Lu+n
174Lu+n(T1/2=3.31a)
173Lu+n(T1/2=1.37a)
172Yb+n
● Données neutroniques existantes pour 175Lu(n,γ) et 172Yb(n,γ)
● Cible mince de 174Yb (250 μg/cm²) évaporée sur support fin carbone (50 μg/cm²)● Facilité: Tandem 15MV de l’IPN Orsay● 3He @ 24 MeV
Soutenance de thèse Guillaume Boutoux 25/11/2011
.
Ejectile
CIBLE 174Yb
3He
∆E-
E
γ
4 scintillateurs C6D66 détecteurs Ge
610/29Le dispositif expérimental (1/2)
∆E-E
Détection des éjectiles● Identification du noyau composé associé à la voie de transfert● Cinématique des réactions de transferts: θ + Eejectile + Q E* du noyau composé
NSINGLES
Soutenance de thèse Guillaume Boutoux 25/11/2011
174Yb(3He,p)176Lu*
NSINGLES(E*) : nombre de protons (=176Lu* formés)
Ejectile
CIBLE 174Yb
3He
∆E-
E
γ
4 scintillateurs C6D66 détecteurs Ge
611/29Le dispositif expérimental (2/2)
∆E-E
NCOINC(E*): nombre des coïncidences entre un proton et
un gamma (= 176Lu* qui émet un gamma)
Probabilité de capture radiative:
( *)( *)
( *) ( *)COINC
SINGLES c
N EP E
N E E
Efficacité de détection pour un événement de
capture
Nombre de noyaux composés qui émettent des gammas
Nombre total de noyaux composés
NSINGLES
NCOINC
Soutenance de thèse Guillaume Boutoux 25/11/2011
612/29Photos du dispositif expérimental
Cible 174YbTélescopes ∆E-E
3He
C6D6
Germanium
Cible
Soutenance de thèse Guillaume Boutoux 25/11/2011
Probabilité de capture radiative:
( *)( *)
( *) ( *)COINC
SINGLES c
N EP E
N E E
Efficacité de détection pour un événement de
capture
Nombre de coïncidence entre un éjectile et un gamma détecté dans
un C6D6
Nombre total d’éjectile
613/29NSINGLES(E*)
Soustraction des contaminants:● Réactions du faisceau d’3He avec le support en C et les impuretés (O).● Les éjectiles émis dans ces réactions donne une mauvaise identification du noyau excité!
θ=130° - Piste 8 NSINGLES brut
Soutenance de thèse Guillaume Boutoux 25/11/2011
13C
12C16O
613/29
Soustraction des contaminants:● Réactions contaminantes avec le support en C et les impuretés (O).● Les éjectiles émis dans ces réactions donne une mauvaise identification du noyau excité!
θ=130° - Piste 8 NSINGLES brut
NSINGLES support C
Soutenance de thèse Guillaume Boutoux 25/11/2011
13C
12C16O
NSINGLES(E*)
(mesuréavec un support de carbone vierge)
613/29
Soustraction des contaminants:● Réactions contaminantes avec le support en C et les impuretés (O).● Les éjectiles émis dans ces réactions donne une mauvaise identification du noyau excité!
Rejet systématique des zones contaminées par 12C et 16O. Bonne soustraction du 13C dans la zone d’intérêt (Sn<E*<Sn+1 MeV )
θ=130° - Piste 8
13C
12C16O
NSINGLES = NSINGLES brut -
NSINGLES support C
Soutenance de thèse Guillaume Boutoux 25/11/2011
NSINGLES(E*)
614/29NCOINC(E*) – Analyse des C6D6
Coïncidence entre un éjectile et un évenement dans un des C6D6;● Temps entre signal ∆E et signal C6D6 = 37ns
Détection d’un gamma:● Discrimination neutron-gamma par « Pulse Shape Discrimination »
Détection d’un gamma de capture radiative:● E*>Sn Compétition avec l’émission de neutron● Le noyau résiduel après émission de neutron peut à son tour décroître par émission de gammas.
● Suppression de la contribution inélastique (n’γ) avec un contour sur l’énergie de détection des gammas. Soustraction des gammas provenant du support C
Soutenance de thèse Guillaume Boutoux 25/11/2011
615/29Efficacité de détection d’un événement de capture
εc (E*), une quantité difficile à déterminer:● dépend du chemin de la cascade ● multiplicité, énergie des gammas de la cascade ?
Ecascade=E*
Techniques pour déterminer l’efficacité indépendamment du chemin de la cascade
Méthode de l’efficacité constante:● méthode basée sur une hypothèse d’efficacité constante● permet de déterminer facilement l’efficacité dans le voisinage de Sn dans une réaction « surrogate »
Principe de détection totale de l’énergie en combinaison avec la technique des fonctions de poids:● utilisé habituellement dans le cadre des mesures neutroniques à n_TOF (CERN) et GELINA (IRMM)
evt capture cascade
Soutenance de thèse Guillaume Boutoux 25/11/2011
616/29Détection totale de l’énergie & Fonctions de poids
Principe de détection totale de l’énergie:● Basée sur deux conditions:
Fonctions de poids:● Notre dispositif doit vérifier la condition n°2● On pondère artificiellement la fonction de réponse de notre dispositif C6D6 avec des fonctions appropriées
1/ Faible efficacité de détection
1 c 2/ Efficacité proportionnelle à l’énergie
k E
. *c ck E k E ● L’efficacité de détection d’une cascade εc est alors indépendante du chemin de la cascade:
Une technique difficile:● Simulation de la fonction de réponse
Soutenance de thèse Guillaume Boutoux 25/11/2011
616/29Détection totale de l’énergie & Fonctions de poids
Principe de détection totale de l’énergie:● Basée sur deux conditions:
Fonctions de poids:● Notre dispositif doit vérifier la condition n°2● On pondère artificiellement la fonction de réponse de notre dispositif C6D6 avec des fonctions appropriées
1/ Faible efficacité de détection
1 c 2/ Efficacité proportionnelle à l’énergie
k E
. *c ck E k E ● L’efficacité de détection d’une cascade εc est alors indépendante du chemin de la cascade:
Une technique difficile:● Simulation de la fonction de réponse
Probabilité qu’un γ-incident Ei dépose Ed dans le détecteur
Soutenance de thèse Guillaume Boutoux 25/11/2011
616/29Détection totale de l’énergie & Fonctions de poids
Principe de détection totale de l’énergie:● Basée sur deux conditions:
Fonctions de poids:● Notre dispositif doit vérifier la condition n°2● On pondère artificiellement la fonction de réponse de notre dispositif C6D6 avec des fonctions appropriées
1/ Faible efficacité de détection
1 c 2/ Efficacité proportionnelle à l’énergie
k E
. *c ck E k E ● L’efficacité de détection d’une cascade εc est alors indépendante du chemin de la cascade:
Une technique difficile:● Simulation de la fonction de réponse
● Validation avec des réponses expérimentales jusqu’à 7 MeV.
Soutenance de thèse Guillaume Boutoux 25/11/2011
616/29Détection totale de l’énergie & Fonctions de poids
Principe de détection totale de l’énergie:● Basée sur deux conditions:
Fonctions de poids:● Notre dispositif doit vérifier la condition n°2● On pondère artificiellement la fonction de réponse de notre dispositif C6D6 avec des fonctions appropriées
1/ Faible efficacité de détection
1 c 2/ Efficacité proportionnelle à l’énergie
k E
. *c ck E k E ● L’efficacité de détection d’une cascade εc est alors indépendante du chemin de la cascade:
Une technique difficile:● Simulation de la fonction de réponse
● Validation avec des réponses expérimentales jusqu’à 7 MeV.● Construction de la fonction de réponse continue par interpolation
Soutenance de thèse Guillaume Boutoux 25/11/2011
616/29Détection totale de l’énergie & Fonctions de poids
Principe de détection totale de l’énergie:● Basée sur deux conditions:
Fonctions de poids:● Notre dispositif doit vérifier la condition n°2● On pondère artificiellement la fonction de réponse de notre dispositif C6D6 avec des fonctions appropriées
1/ Faible efficacité de détection
1 c 2/ Efficacité proportionnelle à l’énergie
k E
. *c ck E k E ● L’efficacité de détection d’une cascade εc est alors indépendante du chemin de la cascade:
Une technique difficile:● Simulation de la fonction de réponse
● Validation avec des réponses expérimentales jusqu’à 7 MeV.● Construction de la fonction de réponse continue par interpolation
● Détermination des fonctions de poids WE* par minimisation
Soutenance de thèse Guillaume Boutoux 25/11/2011
616/29Détection totale de l’énergie & Fonctions de poids
Principe de détection totale de l’énergie:● Basée sur deux conditions:
Fonctions de poids:● Notre dispositif doit vérifier la condition n°2● On pondère artificiellement la fonction de réponse de notre dispositif C6D6 avec des fonctions appropriées
1/ Faible efficacité de détection
1 c 2/ Efficacité proportionnelle à l’énergie
k E
. *c ck E k E ● L’efficacité de détection d’une cascade εc est alors indépendante du chemin de la cascade:
Une technique difficile:● Simulation de la fonction de réponse
● Validation avec des réponses expérimentales jusqu’à 7 MeV.● Construction de la fonction de réponse continue par interpolation
● Détermination des fonctions de poids WE* par minimisation● Pondération des spectres C6D6 afin que εc=k.E*
Soutenance de thèse Guillaume Boutoux 25/11/2011
617/29Méthode d’efficacité constante
Une méthode simple :● E*<Sn accessible dans les réactions « surrogate »
1P * nE S
( 1 * )COINCc n n
SINGLES
N S E SN
● Rapport constant sous le Sn efficacité constante au dessus du Sn
● Calculs TALYS de multiplicité gamma: faible variation dans le continuum
● Excellent accord avec l’analyse des fonctions de poids.● Domaine de validité: Sn <E*< Sn + 1 MeV
+5%/MeV
Soutenance de thèse Guillaume Boutoux 25/11/2011
6Probabilités de capture radiative (C6D6)
● Hypothèse conforté par les calculs et l’expérience● Excellent accord avec les fonctions de poids.● Domaine de validité: Sn<E*<Sn + 1 MeV
● Probabilité accompagnée de leur matrice de variance-covariance
Soutenance de thèse Guillaume Boutoux 25/11/2011
(3He,p)176Lu* (3He,d)175Lu*
(3He,t)174Lu* (3He,α)173Yb*
18/29
619/29Analyse des Germaniums
● Analyse spectroscopique des noyaux excités formés en fonction de E*
● Identification des transitions relatives à la voie (3He,pγ) et à l’ouverture de la voie inélastique (3He,pn’γ). Cible isotopiquement pure
Emergence des gammasdu noyau résiduel
après émission de neutron
Soutenance de thèse Guillaume Boutoux 25/11/2011
● Coïncidence en temps éjectile-gamma (Ge)
620/29Probabilités de capture radiative (Ge)
● Hypothèse conforté par les calculs et l’expérience● Excellent accord avec les fonctions de poids.● Domaine de validité: Sn<E*<Sn + 1 MeV
● Probabilité accompagnée de leur matrice de variance-covariance
OU● Toutes les cascades empruntent les transitions sélectionnées.
● L’alimentation des transitions choisies est indépendante de l’E*
● Avantage: on choisit une
transition connue● Inconvénient: la statistique
7-
8-
9-
1-
1+2+
3+
4+
stable (0.0)
3.6h (122.8)
35ns (194.4)184.1
233.1
299.3381.3
388.9
176Lu*
Soutenance de thèse Guillaume Boutoux 25/11/2011
(3He,p)176Lu* (3He,d)175Lu*
(3He,t)174Lu* (3He,α)173Yb*
● Suivre l’intensité de transitions choisies du noyau composé d’intérêt en fonction de E* ● Normalisation sous le Sn
Validation de l’analyse C6D6
621/29Extraction de la section efficace de 175Lu(n,γ)
● Hypothèse conforté par les calculs et l’expérience● Excellent accord avec les fonctions de poids.● Domaine de validité: Sn<E*<Sn + 1 MeV
● Surestimation de la sections efficace « surrogate » d’un facteur 3 !
175Lu(n,γ)
176 176
175 ( , )( *) ( *). ( *)Lu Lu
formationLu nE E P E
CALCUL MESURE (réaction surrogate)
(MODELE OPTIQUE)● Potentiel optique déformé● Calcul TALYS (ECIS-06)● Incertitudes <5%
174Yb(3He,pγ)176Lu*
Soutenance de thèse Guillaume Boutoux 25/11/2011
622/29Interprétation de la voie 174Yb(3He,p)176Lu*
● Ajustement des paramètres statistiques (densités de niveaux – « γ-strength-functions ») dans TALYS
● cas de 175Lu+n:
● cas de 176Lu+γ:
7 12 2J
7 1J
● Comparaison de la Pγ exp. avec des calculs TALYS (n, γ) et (γ, γ)
Spins peuplés dans 174Yb(3He,p) proche de ceux
peuplés dans (176Lu +γ)?
Soutenance de thèse Guillaume Boutoux 25/11/2011
( *) ( *, ) ( *, )CNs
J
P E F E J G E J
623/29Distribution des moments angulaires peuplés
● Hypothèse conforté par les calculs et l’expérience● Excellent accord avec les fonctions de poids.● Domaine de validité: Sn<E*<Sn + 1 MeV
2
220.5
2
J J
e
Distribution de spin modélisée par une
gaussienne indépendante de l’E*
Rapport d’embranchementcalculé avec TALYSFIT
<J>=7 ħσ=2.3 ħ
Sn
174Yb(3He,p)176Lu*
Soutenance de thèse Guillaume Boutoux 25/11/2011
624/29Interprétation des résultats
● Hypothèse conforté par les calculs et l’expérience● Excellent accord avec les fonctions de poids.● Domaine de validité: Sn<E*<Sn + 1 MeV
● Compétition neutron/gamma● Règles de sélectivité● La voie (n,n) est la réaction dominante
E*
Sn
176Lu*
175Lu
7-
11/2+
9/2+
7/2+
n
γ
J=3-4
Pγ
E*Sn
1
Soutenance de thèse Guillaume Boutoux 25/11/2011
624/29Interprétation des résultats
● Hypothèse conforté par les calculs et l’expérience● Excellent accord avec les fonctions de poids.● Domaine de validité: Sn<E*<Sn + 1 MeV
● Etat du noyau résiduel très sélectif:: l’émission de neutron est défavorisé!● La compétition renforce l’émission γ
E*
Sn
176Lu*
175Lu
7-
11/2+
9/2+
7/2+n
γ
J=7
Pγ
E*Sn
1
Soutenance de thèse Guillaume Boutoux 25/11/2011
624/29Interprétation des résultats
● Hypothèse conforté par les calculs et l’expérience● Excellent accord avec les fonctions de poids.● Domaine de validité: Sn<E*<Sn + 1 MeV
● Les premiers états excités du noyau résiduel sont très sélectifs.
● Les transitions vers les premiers états excités du noyau résiduel sont aussi très improbables.
Désexcitation gamma par défaut Origine de la surestimation de la Pγ
E*
Sn
176Lu*
175Lu
7-
11/2+
9/2+
7/2+nγ
J=7 n’
Soutenance de thèse Guillaume Boutoux 25/11/2011
625/29Interprétation de la voie 174Yb(3He,αγ)173Yb*
<J>=4 ħσ=3.2 ħ
● Fit de la probabilité expérimentale pour déduire la distribution de spins:
Spins peuplés plus élevés
172Yb(n,γ) ● Surestimation de la section efficace
de 172Yb(n,γ) d’un facteur 10!
Soutenance de thèse Guillaume Boutoux 25/11/2011
626/29
● Forte sensibilité de la capture radiative à la différence de spin Petite variation de la probabilité en absolue = plusieurs facteurs
en relatif!● Rôle et quantification de la distribution de spin du noyau composé
Spins moyens peuplés en transfert plus élevés de 3-4 ħ
● Etats de basse énergie du noyau résiduel après émission de neutron très sélectifs!
La différence de spins défavorise l’émission de neutron La compétition renforce l’émission gamma
● Densités de niveaux plus élevées avec la masse et E*: Cas des actinides plus favorable Réduction des déviations entre données « surrogate » et
neutroniques
Synthèse
● Meilleure compréhension des expériences de substitution dédiées à la fission
Soutenance de thèse Guillaume Boutoux 25/11/2011
627/29Perspectives – L’importance des distributions de spins
● Hypothèse conforté par les calculs et l’expérience● Excellent accord avec les fonctions de poids.● Domaine de validité: Sn<E*<Sn + 1 MeV
● Des avancées théoriques importantes pour le calcul des distributions de spin pour les transferts de type « stripping » et « pick-up », par exemple (p,d), (d,p) et (3He,α)● Les distributions de spin « expérimentales » de ce travail peuvent être élargies à d’autres cibles dépendance de la distribution de moment angulaire avec le noyau?
Méthode surrogate dépendant de Jπ:
1 1( , )
,
( *) ( *, , ). ( *, , )A A An
J
E E J G E J
FORMATIO
NDESEXCITATION
CALCUL TALYS (ECIS)
1 1 1
,
( *) ( *, , ). ( *, , )A A As
J
P E F E J G E J
Mesurée
PARAMETRES AJUSTES!!
Paramètres du modèle statistiquecontraints
Connue (calcul ou exp.)
Si on connaissait les distributions de spins…
Soutenance de thèse Guillaume Boutoux 25/11/2011
● Probabilités « surrogate » précieuses si on connait les distributions de spins!
Déduction de sections efficaces impossibles à obtenir autrement!
628/29Perspectives
● Hypothèse conforté par les calculs et l’expérience● Excellent accord avec les fonctions de poids.● Domaine de validité: Sn<E*<Sn + 1 MeV
Réactions surrogate en cinématique inverse avec des faisceaux d’ions radioactifs:● Cibles cryogéniques (CHYMENE) réactions (p,d) et (d,p)● Etudes de la fission / capture radiative des fragments de fission et actinides sur les installations SPIRAL2 et HIE-ISOLDE.● Etudes de régions inaccessibles en cinématique directe● HIE-ISOLDE: Faisceaux d’Ac, Th, Pa en 2015
F-ELISe (Fission @ Electron-Ion Scattering experiment):● Collision électrons - ions lourds radioactifs à des énergies relativistes● Réaction de substitution: (e,e’)● Etat du noyau fissionnant bien défini (A, Z, E*,moment angulaire!!)● Probabilité de fission surrogate● Etude de la fission: Identification des fragments de fission en A,Z
● Expérience de validation avec une réaction (d,p) dans la région des actinides:238U(d,p)239U* 238U(n,f) et 238U(n,γ)
Soutenance de thèse Guillaume Boutoux 25/11/2011
629/29CONCLUSION
● Hypothèse conforté par les calculs et l’expérience● Excellent accord avec les fonctions de poids.● Domaine de validité: Sn<E*<Sn + 1 MeV
● La méthode surrogate dédiée à la capture radiative est mise à mal
● Expérience 3He+174Yb ● Couplage de deux dispositifs de détection gamma (C6D6 / Ge):
probabilité de capture mesurée par deux méthodes indépendantes au sein de la même expérience . méthode alternative pour déterminer l’efficacité
● Désaccord important des données « surrogate » avec les données neutroniques
Déduction des distributions de spins peuplés Sélectivité de l’émission de neutrons
● Indispensable pour accéder à des noyaux de très courte durée de vie● La clé du problème: les distributions de spins besoin des théoriciens● De nombreuses perspectives ● Les réactions « surrogate »: un sujet de premier plan!Soutenance de thèse Guillaume Boutoux 25/11/2011
6REMERCIEMENTS
B. Jurado1, V. Méot2, O. Roig2, C. Théroine2 , M. Aïche1, A. Bail2 , G. Barreau1, E. Bauge2, A. Blanc2 , J.T. Burke9 , N. Capellan1,7, P. Chau2 , I. Companis1, S.Czajkowski1, J.M.
Daugas2, X. Derkx5 , L. Gaudefroy2, F. Gunsing4, B. Haas1, G. Kessedjian1,7, I. Matea6, L. Mathieu1, P. Morel2,
N. Pillet2, M.G Porquet8, P. Romain2, K.-H. Schmidt1, O. Sérot3 , J. Taieb2, L. Tassan-Got6, I. Tsekhanovich1
1CENBG Bordeaux, CNRS/IN2P3, Université Bordeaux 12CEA – DAM – DIF
3CEA – Cadarache , DEN/DER/SPRC/LEPh4CEA – Saclay , DSM/DAPNIA/SPhN
5GANIL, CNRS/CEA6IPN Orsay, CNRS/IN2P3
7LPSC Grenoble, CNRS/IN2P38CSNSM Orsay, CRNS/IN2P3
9Lawrence Livermore National Laboratory, California, USA
Soutenance de thèse Guillaume Boutoux 25/11/2011
92Zr*
156Gd*
236U*
Nombre d’état du noyau résiduel après émission de neutrons sous 1 MeV:
91Zr: 1 niveau
155Gd: 60 niveaux
235U: 90 niveaux
Faisceau3He
Chambre de réaction
Géométrie compacte et complexe
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7Ncoinc
Suppression des gammas provenant de la voie inélastique (n’gamma)
Seuil sur l’énergie de détection des gammas: 200keV – 400 keV.
6
1 1( , )
1 1( , )
( ) ( ). (
( ) ( ). (
)
)A A An n n n
B B Bn n n nE
E
E
E
E
E P
P
Section efficace inconnue
Référence
La méthode des ratios
Soutenance de thèse Guillaume Boutoux 25/11/2011
● Méthode développée en 2005 à Livermore/Berkeley● Deux mesures « surrogate » identiques sur deux cibles différentes
( , )1 1
1 1
( , )
( ). ( )( )
( )( )
. ( )Bn nB B
n n
A An nA
n n EE P
E P EE
E
● Certaines quantités s’annulent dans le rapport! ● Réduction des erreurs systématiques● Compensation des effets de moments angulaires dans certains cas● Compensation des effets de pré-équilibre aux hautes énergies
● Sévères limitations dans des régions dominées par des noyaux radioactifs: σ(n,γ) de référence inexistantes et cibles plutôt rares!
6
1 1( , )
1 1( , )
( ) ( ). ( )
( ) ( ). ( )
A A An n n n
B B Bn n n n
E E P E
E E P E
Section efficace inconnue
Reference
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Réaction « surrogate »
Réaction désirée
Réaction « surrogate » connue
Réaction connue
Référence
236U(d,pf)237U*238U(d,d’f)237U*
236U(n,f)237U(n,f)
238U(d,pf)239U*236U(d,d’f)239U*
238U(n,f)235U(n,f)
C. Plettner et al. (2005)
238U(α,α’ f)238U* 237U(n,f) 236U(α,α’ f)238U* 235U(n,f) J.T. Burke et al. (2006)
238U(3He,α f)238U* 236U(n,f) 235U(3He,αf)234U* 233U(n,f) B.F. Lyles et al. (2007)
171Yb(3He,3He’γ)171Yb*
172Yb(3He,αγ)171Yb*
170Yb(n, γ)170Yb(n, γ)
161Dy(3He,3He’γ)161Dy*162Dy(3He,αγ)161Dy*
160Dy(n, γ)160Dy(n,γ)
B.L. Goldblum et al.(2008)
234U(α,α’ f)234U* 233U(n,f) 236U(α,α’ f)238U* 235U(n,f) S.R. Lescher et al. (2009)
232Th(3He,3He’f)232Th*
232Th(3He,αf)231Th*
231Th (n,f)230Th(n,f)
236U(3He,3He’γ)236U*236U(3He,αγ)235U*
235U(n,f)234U(n,f)
B.L. Goldblum et al.(2009)
162Dy(3He,3He’γ)162Dy*
162Dy(3He,3He’γ)162Dy*
163Dy(3He,αγ)162Dy*
161Dy(n, γ)161Dy(n, γ)161Dy(n, γ)
164Dy(3He,3He’γ)164Dy*161Dy(3He,3He’γ)161Dy*
162Dy(3He,αγ)161Dy*
163Dy(n, γ)160Dy(n, γ)160Dy(n, γ)
B.L. Goldblum et al.(2010)
171Yb(d,pγ) 171Yb(n, γ) 173Yb(d,pγ) 173Yb(n, γ) R. Hatarik et al. (2010)
239Pu(α,α’ f)239Pu*239Pu(α,α’ f)239Pu*
238Pu(n,f)238Pu(n,f)
236U(α,α’ f)236U*235U(α,α’ f)235U*
235U(n,f)234U(n,f)
J.J. Resler et al. (2011)
238U(3He,pf)240Np* 239Np(n,f) 236U(3He,pf)238Np* 237Np(n,f) E. Norman et al.
● Critères de validité flous● Interprétation des résultats difficile (annulation possible des effets de spins)
Etat de l’art (ratios)
Etalonnage des télescopes:● avec les réactions de transfert:
208Pb(3He,d)209Bi*208Pb(3He,α)207Pb*
● Etats excités bien connus● Avantage: étalonnage dans la gamme d’énergie d’interêt
Résolution en énergie des télescopes:
* 80E keV
628/35Interprétation de la voie 174Yb(3He,α)173Yb*
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● Hypothèse conforté par les calculs et l’expérience● Excellent accord avec les fonctions de poids.● Domaine de validité: Sn<E*<Sn + 1 MeV
● Spins peuplés dans la réaction 174Yb(3He,α) plus élevés que dans 172Yb(n,γ) et 173Yb(γ, γ) ● Les ouvertures des voies 4+, 6+ et 8+ laisse présager des spins élevés
● Ajustement des paramètres statistiques (densités de niveaux – fonctions de forces) dans TALYS
● Comparaison de la probabilité mesurée dans 174Yb(3He,αγ)173Yb* avec les probabilités calculés:
172Yb(n,γ)173Yb*173Yb(γ,γ)173Yb*
● Le noyau résiduel est un pair-pair observation de la compétition avec l’émission de neutrons
● 172Yb(n,γ), <J>=0+(1/2 ) ħ (considérant des neutrons « s-wave »)● 173Yb(γ, γ), <J>=(5/2)±1 ħ (considérant des photons E1)
J I i l ssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssss
Spin de la cible Spin du projectile
MomentAngulaireorbital
Spin du noyau composé
( *) ( *, ) ( *, )CNs
J
P E F E J G E J
6Distribution de spin dans 174Yb(3He,a)173Yb*
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2
220.5
2
J J
e
Distribution de spin modélisée par une
gaussienne indépendante de l’E*
Rapport d’embranchementcalculé avec TALYSFIT
<J>=4 ħσ=3.2 ħSn
Sn=5.53MeV
E*
241Am
242Am*
II
A
B
I
BfA=6.32MeV
243Am(3He,αf)242Am*
J≈611/2- 158 keV9/2- 93 keV7/2- 41 keV
Sn=5.53MeV
E*
241Am
242Am*
II
A
B
I
BfA=6.32MeVfissionn’
11/2- 158 keV9/2- 93 keV7/2- 41 keV
J≈6
243Am(3He,αf)242Am*
Noyau fissionant Impair-pair!!!
Le moment angulaire dépend clairement de la structure single-particule du noyau composé!
Les réactions directes excitent les états single-particle du noyau composé.