source d’ions Laser à l’IPN d’orsay RAPPEL TITRE PRESENTATION jeudi 13 avril 2017 source d’ions Laser à l’IPN d’orsay Mercredi 5 Octobre 2011 Roscoff Bonjour je suis Celine Bonnin je travaille en tant qu’ingénieur laseriste sur l’installation laser de l’institut de physique nucléaire à Orsay depuis le 1 janvier de cette année. Unité mixte de recherche CNRS-IN2P3 Université Paris-Sud 11 91406 Orsay cedex Tél. : +33 1 69 15 73 40 Fax : +33 1 69 15 64 70 http://ipnweb.in2p3.fr Céline BONNIN Pour la collaboration ALTO Institut de Physique Nucléaire d’Orsay

Source d’ions laser pour ALTO Accélérateur Linéaire et Tandem d’Orsay Pourquoi une source laser ? Produire des éléments radioactifs (ALTO) Le principe RIS Les premiers développements hors-ligne L’installation en ligne à ALTO Description État des lieux de la source Conclusion Je vais vous présenter les installations laser à l’ipn mais dans un premier temps je vais expliquer pourquoi on a besoin d’une source laser. 2

Pourquoi une source laser ? X A Z Sélectivité en A par le séparateur Sélectivité en Z par Laser L’objectif est d’étudier des noyaux rares riche en neutrons. Tout d’abord on va créer ces noyaux par la méthode ISOL que je vais détailler plus tard. Par cette méthode on va créer un grand nombre de noyaux rares mais on veut en étudier qu’un. Pour cela on va sélectionner l’atome à étudier par la masse grâce au séparateur, et par une sélection en Z, cad en fonction du nombre de proton, grâce aux lasers. Il existe d’autres sources d’ionisation que le laser; il y a l’ionisation PLASMA mais qui n’est pas sélectif en Z et l’ionisation de surface qui est un peu sélectif sur un nombre limité d’éléments. Donc le laser est la méthode d’ionisation la plus sélective en Z avec une très bonne efficacité. (C’est également un avantage pour la radioprotection car on a beaucoup moins de polluant radioactif en sortie) Deux autres types de source d’ionisation: Plasma Surface 3

(Spectroscopie par Ionisation Résonnante) Le principe RIS (Spectroscopie par Ionisation Résonnante) Ionisation résonante pour le Ga : schéma en 2 étapes - 2 λ Excitation λ1= 287 nm Ionisation λ2 = 532nm Au delà du continuum Vers des états auto-ionisants Vers des états de Rydberg Le principe RIS est extrêmement sélectif car chaque atome dispose de son propre schéma d’ionisation et la longueur d’onde du laser correspond exactement à la différence d’énergie entre 2 niveaux. Il s’agit d’ioniser les atomes par laser en plusieurs étapes résonnantes. On a trois possibilités, où vers le continuum, ou vers un état auto-ionisant ou vers un état de Rydberg. On cherche en général un état auto-ionisant, car il ne demande pas d’énergie supplémentaire et est 50 fois plus efficace que vers le continuum. Pour le Ga, nous avons choisi une configuration simple et efficace, un schéma résonant 2-étapes 2 couleurs. 4

L’installation hors-ligne (SIHL) RAPPEL TITRE PRESENTATION jeudi 13 avril 2017 L’installation hors-ligne (SIHL) SIHL LASER Schéma testé pour Sn (étain) 59233 cm-1 34914 cm-1 3P0 3P1 286,3 nm 410 nm Schémas testés pour Cu Pour étudier ces éléments stable, l’ipn dispose d’une installation Hors-ligne disposant d’un système laser couplé au séparateur. Grâce à cette installation on a étudié l’étain et le cuivre on déjà été étudié. Cette installation dispose d’un ECS, d’un séparateur et d’une zone de détection. On envoi les longueurs d’onde correspondantes au schéma d’ionisation au niveau de l’aimant, jusque dans la source. On voit pour les deux éléments, on utilise de l’UV pour exciter, et du bleu pour l’ionisation. On utilise un laser Nd:Yag avec un taux de répétition de 30Hz, pour l’installation En-ligne on dispose d’un laser à 10kHz pour avoir une meilleure efficacité. 249,2 nm 2S1/2 4P3/2 4D5/2 40948 cm-1 63585 cm-1 441,75 nm 2S1/2 4P3/2 4D5/2 62948 cm-1 40114 cm-1 249,2 nm 437,9 nm

RAPPEL TITRE PRESENTATION jeudi 13 avril 2017 Installation ALTO 50 MeV/10 µA Linac Cible(2000°C) – source d’ion Lignes expérimentales Voilà comment se présente l’installation ISOL. Ici se trouve l’accelerateur lineaire d’e- 50Mev 10 microA, les e- sont acheminés vers l’ECS qui se trouve dans le bunker. Les ions radio extraits sont transportés à 30keV vers l’aimant de séparation et en sortie de l’aimant, le faisceau sélectionné est envoyé vers la détection. Au niveau du plan focal le faisceau est dévié vers des lignes faisceau secondaire pour les utilisateurs. La salle laser est au premier étage au desssus de l’aimant. On envoi les laser sur un prisme près du séparateur, qui va envoyer les faisceau vers la source.

RAPPEL TITRE PRESENTATION jeudi 13 avril 2017 Électrode d’extraction 30 kV Tube transfert Pastilles de carbure d’uranium Pour étudier les éléments radioactifs il faut les produire, concrètement comment cela se passe? Voici ce qu’on appelle un ensemble Cible Source, (ce type de source est utilisé pour l’ionisation PLASMA mais pour l’ionisation laser le principe est le même). On dispose d’une cible d’uranium, c’est ce tube dans lequel il y a 143 pastilles d’uranium. Ceci est relié à un tube transfert. Cet ensemble est chauffer à 2000°C. On envoi un faisceau d’e- sur la cible d’uranium, lors de l’interaction des e- avec les pastilles, il se créer un rayonnement de freinage qui produit un rayonnement GAMMA et engendrer la photofission de l’uranium. Une partie les atomes créer lors de cette photofission vont se retrouver dans le tube transfert par le fait que la cible est chauffée à 2000°C. A partir de là, on envoi les lasers pour les ioniser. On obtient des ions mono-chargés qui vont, grâce à l’électrode d’extraction, être envoyés vers le séparateur pour la sélection en masse. Ca c’est pour étudier les éléments radioactif. Pour étudier en stable, c’est plus simple, à la place de la cible d’uranium on a un crozet dans lequel on place une quantité de l’élément a étudier que l’on va chauffer pour qu’il s’évapore vers le tube transfert. + - Chauffage par effet Joule

+ - Chauffage par effet Joule

Faisceau d’électrons Photofission de l’Uranium

Production d’atomes radioactifs

Sélection de l’élément par le laser

par l’aimant séparateur Sélection en masse par l’aimant séparateur Ionisation Extraction

Installation ISOL (Séparateur d’isotope en ligne) RAPPEL TITRE PRESENTATION jeudi 13 avril 2017 Installation ISOL (Séparateur d’isotope en ligne) Platforme Laser Prisme Je reprend ce schéma pour vous montrer où se situe la plateforme laser. 1 er étage, le faisceau descend sur un prisme près de l’aimant, qui envoie les faisceau dans le tube d’ionisation.

RAPPEL TITRE PRESENTATION jeudi 13 avril 2017 Voici notre installation laser aujourd’hui.

RAPPEL TITRE PRESENTATION jeudi 13 avril 2017 Ce laser industriel est utilisé pour les schéma d’ionisation mais aussi pour le pompage optique des lasers à colorants. Ce laser est le même qu’au CERN. Durée d’impulsion très courte pour un taux de répétition élevé. C’est le seul fournisseur de laser avec ces caractéristiques car la technologie qui permet de réaliser ces critères est breveté. Le gros avantage de ce laser est la forme du faisceau en Top Hat. Ce qui nous permet de pomper les cellules à colorant de façon homogème.

RAPPEL TITRE PRESENTATION jeudi 13 avril 2017 Cellules avec circulation des colorants. Choix du colorant en fonction de la LO nécessaire.

RAPPEL TITRE PRESENTATION jeudi 13 avril 2017 Configuration actuelle de la salle laser, pour l’étude du Ga.

RAPPEL TITRE PRESENTATION jeudi 13 avril 2017 possibilité de travailler sur des schéma à trois niveaux

RAPPEL TITRE PRESENTATION jeudi 13 avril 2017 Paramètres laser à maîtriser Tube ioniseur 8 mètres Caméra 3 mm 50mm Position et focalisation dans le tube d’ionisation Méthode du point image pour contrôler la position Système d’asservissement (miroirs motorisés) Longueur d’onde Contrôlée par un Lambdamètre (10-4) Puissance Contrôlée par un puissance-mètre Position faisceau: variation de température engendre dilatation des miroirs donc la position change. On utilise la réflexion sur une face du prisme pour contrôler la position du faisceau dans le tube pendant les manip. En effet nous n’avons pas accès à l’ECS pendant les manip donc on aligne le faisceau au préalable dans le tube puis on contrôle

Actuellement: production de faisceau de Gallium Stable Source chauffée à 1700°C Masse 71 Situation Mesures (Cage de Faraday) Sans Laser 1,5 nA UV seul UV + Vert 20 nA

Planning Octobre : 1) Production de faisceau radioactif à Ie-=100 nA (semaine 42) 2) Expérience de physique en présence de l’ASN à puissance nominale (semaine 43) À venir: Programme d’expériences avec Cu et Sn Ensuite nous passerons à un faisceau de gallium Maintenant, quels sont nos projets pour SPIRAL2 ? 35

Idéal = avoir les 2 technologies Technologies Laser Avantage Inconvénients Laser solide : Ti:Sa Compact Peut travailler en impulsion longue Inutilisable dans le jaune et l’orange Changements de cristal doubleur fréquents Laser à colorant Utilisable sur tout le spectre visible, IR et UV Toxique Circulations haute vitesse Changement de colorants fréquent Et pour finir je veux parler …Pourquoi on a choisi un systeme de lasers à colorants car on aurait pu choisir un laser à état solide dont voici les avantages.. Cependant.. Ti:Sa 700-1100 nm, en doublant : 350-550 nm et en triplant : 233-366 nm Idéal = avoir les 2 technologies pour travailler de façon polyvalente et être complet comme au CERN Idéal = avoir les 2 technologies 36

Karolina Kolos Serge Franchoo François Le Blanc Julien Martin Equipe Laser Karolina Kolos Serge Franchoo François Le Blanc Julien Martin Céline Bonnin