A novel circular ion trap for mass spectrometry and nuclear structure

Un nouveau piège à ions circulaire pour la spectrométrie de masse et la structure nucléaire

Enrique Minaya Ramirez (1)

1 CSNSM - Centre de Spectrométrie Nucléaire et de Spectrométrie de Masse

Nuclear mass measurements give a direct determination of the binding energy, the result of all forces acting in the nucleus. The exploration of nuclear structure requires the measurement of masses far from stability. However the production of radioactive ions is not very selective and the ion of interest is often lost in a background of isobaric contaminants. The use of linear ion traps and buffer gas cooling has been highly developed in recent years, allowing mass measurement of exotic nuclei with high accuracy. This thesis focuses on the development of a novel circular Paul trap, "the ion circus". Its geometry allows confining ions during several turns. Thus, they can be cooled with a lower buffer gas pressure of about 10-4 mbar. Furthermore, during trapping and cooling, the ions may be mass separated with a resolving power sufficient to exclude isobaric contaminants. The first prototype was built and tested at Orsay. Currently, the mass of very exotic nuclei can only be predicted. This thesis also examines the prediction of different mass models by comparing them with the HFB-17 microscopic model. The study of the two-neutron separation energies of HFB-17 revealed numerical instability. To improve this, we have corrected the deformation energies calculated by this model, using as a reference the new isotopic chains 143-146Xe and 223-229Rn, measured with the ISOLTRAP spectrometer at CERN.

La détermination de la masse nucléaire permet d'accéder à l'énergie de liaison donc au bilan de toutes les forces agissant dans le noyau. L'exploration de la structure nucléaire requiert la mesure des masses loin de la stabilité. Néanmoins la production des ions radioactifs est peu sélective et l'ion d'intérêt est souvent noyé dans un fond de contaminants isobariques. Ces dernières années, l'utilisation des pièges à ions linéaires et du refroidissement par gaz tampon a été fortement développée permettant la mesure de masse des noyaux exotiques avec une grande précision. Cette thèse porte sur le développement innovant d'un piège de Paul circulaire, "le cirque d'ions". Sa géométrie lui permet de confiner les ions sur un grand nombre de tours. Ainsi, ils peuvent être refroidis avec une pression de gaz tampon de l'ordre de 10-4 mbar. Par ailleurs, il est capable de trier en masse les ions piégés et refroidis avec un pouvoir de résolution suffisant pour séparer des isobares. Nous avons réalisé et testé le premier prototype de ce spectromètre à Orsay. Cette thèse étudie également les prédictions des masses par les différents modèles théoriques, en les comparant avec l'approche microscopique HFB-17. Actuellement, la masse des noyaux très exotiques peut seulement être prédite. L'étude de l'énergie de séparation de deux neutrons avec HFB-17 met en évidence des zones d'instabilité numérique. Afin de l'améliorer, nous avons apporté une correction aux énergies de déformation calculées par ce modèle, en utilisant comme référence les masses des chaînes isotopiques 143-146Xe et 223-229Rn que nous avons mesurées avec le spectromètre ISOLTRAP au CERN.

Mots clés: circular Paul trap; mass spectrometry; mass measurement; binding energy; nuclear structure; nuclear mass models

Mots clés: piège de Paul circulaire; spectrométrie de masse; mesure de masse; énergie de liaison; structure nucléaire; modèles nucléaires; Hartree-Fock-Bogoliubov

Domaines: Physique Nucléaire Théorique [nucl-th]

Enrique Minaya Ramirez. Un nouveau piège à ions circulaire pour la spectrométrie de masse et la structure nucléaire. Physique Nucléaire Théorique [nucl-th]. Université Paris Sud - Paris XI, 2009. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00421111⟩