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Excitations nucléaires dans des plasmas

Les plasmas denses et chauds, créés à l’aide de lasers intenses et ultra-intenses par exemple, sont caractérisés par des conditions thermodynamiques extrêmes. Ces conditions conduisent à une forte ionisation de la matière et sont susceptibles d’affecter le couplage entre le noyau et son cortège électronique. En conséquence, les taux des réactions nucléaires d’excitation et de désexcitation des noyaux, qui y sont majoritairement mises en jeu, ainsi que les propriétés nucléaires, telles que la durée de vie des états excités, peuvent y être modifiés.

L’enjeu principal de l’étude des excitations nucléaires dans les plasmas denses et chauds est d’obtenir des données expérimentales pour préciser notre connaissance des propriétés nucléaires dans des conditions de température et de densités où elles n’ont jamais été testées. Confrontées aux modèles, ces données doivent permettre de les rendre plus prédictifs.

Les mécanismes d’excitation nucléaire dans les plasmas

Processus d'excitation nucléaire

Parmi les mécanismes d’excitation, on distingue les interactions "directes" entre les noyaux et les photons ou les électrons libérés dans le plasma :

et les processus "indirects", qui reposent sur un couplage entre le noyau et son cortège électronique :

  • l’excitation par capture électronique (effet NEEC) où un électron libre du plasma est capturé sur une couche atomique non pleine et l’excédent d’énergie est utilisé par le noyau pour s’exciter,
  • l’excitation par transition électronique (effet NEET) où un électron d’une couche atomique peu liée effectue une transition vers une couche plus profonde et l’énergie cédée est utilisée par le noyau pour s’exciter.

Très peu de données sont disponibles sur ces mécanismes aux énergies caractéristiques des plasmas, et donc a fortiori sur les populations des états nucléaires excités dans ces milieux.

L’effet NEET

Aux températures et densités accessibles en laboratoire grâce aux lasers de haute énergie, le processus d’excitation le plus prometteur est l’effet NEET (Nuclear Excitation by Electronic Transition). Ce processus est résonant, et lorsque la différence d’énergie entre la transition atomique et la transition nucléaire tend vers zéro, des calculs théoriques prévoient qu’il domine les taux d’excitation des états de basses énergies des noyaux dans les plasmas. En effet, suivant les propriétés du plasma, les atomes se trouvent dans différents degrés d’ionisation et un grand nombre de transitions électroniques différentes peut avoir lieu. Il est alors possible de trouver une ou plusieurs transitions électroniques résonantes avec la transition nucléaire.

Le nombre de noyaux stables dont les premiers états nucléaires sont de basses énergies et présentant des propriétés atomiques favorables pour l’effet NEET, est très restreint. Parmi ceux-ci se trouve le 201Hg, dont le premier état excité est à 1.565 keV. Des calculs prédictifs de taux d’excitation ont été menés au sein de la collaboration, et un vaste effort expérimental est maintenant en cours. Le but ultime est la mise en évidence expérimentale d’excitations du premier état isomérique du 201Hg dans un plasma de laboratoire.

Le spectre de noyaux candidats pour ces études peut être élargi aux noyaux instables et aux états nucléaires isomériques. Parmi ces derniers, le premier état isomérique du 84Rb présente de nombreux avantages. Des calculs prédictifs ont également été menés dans le cas de ce noyau bien plus léger que le 201Hg, et plusieurs campagnes expérimentales ont permis de les contraindre.

La diffusion inélastique d’électrons

La diffusion inélastique d’électrons est un processus où un électron libre du plasma est diffusé par le champ coulombien associé à l’atome ionisé au sein du plasma. Au cours de cette interaction, il peut transférer tout ou partie de son énergie au noyau à travers l’échange d’un photon virtuel. Cette énergie est utilisée par le noyau pour s’exciter.

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Le projet SPEEP

La diffusion inélastique d’électrons tient un rôle particulier. Les probabilités d’excitation associées sont particulièrement faibles aux énergies typiquement mises en jeu au sein des plasmas de laboratoire (1-100 keV) : elles sont inférieures à 10-30 cm2. Cependant, le nombre considérable d’électrons libérés à ces énergies au sein des plasmas pourrait induire une participation non négligeable de ce processus au taux d’excitation. Afin de la quantifier, il est nécessaire de connaître les sections efficaces d’excitation. Malheureusement, bien que le processus de diffusion inélastique d’électrons sur les noyaux soit parfaitement connu aux énergies relativistes, les modèles développés aux énergies de l’ordre du keV donnent des résultats en désaccord de plusieurs ordres de grandeurs.

Des mesures directes, s’appuyant sur l’irradiation de cible solide par un faisceau d’électrons, sont donc indispensables pour lever ces ambiguïtés et contraindre les calculs.

Ces mesures représentent un réel défi, du fait des valeurs attendues extrêmement faibles, et requièrent donc un faisceau particulièrement intense, et pulsé. Le développement d’un tel faisceau fait l’objet du projet SPEEP.

(dernière mise à jour : août 2016)

Excitations nucléaires dans des plasmas

L’effet NEET dans le 201Hg

(site en cours de construction)

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L’effet NEET dans le 84Rb

Le 84Rb est un noyaux instable, qu’il est possible de produire auprès d’un accélérateur via, par exemple, la réaction 76Ge(12C,p+3n)84Rb. Il présente un état isomérique à 463.6 keV, également produit lors de telles réactions. De premiers calculs montrent que l’excitation de l’état 5- (à 466.6 keV) à partir de l’état 6- (à 463.6 keV) du 84mRb est dominant par effet NEET dans un plasma dont les températures sont comprises entre 300 et 500 eV, et pour des états (...)

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Le projet SPEEP

Le projet SPEEP a pour objectif de développer un faisceau d’électrons de basses énergies, intense et pulsé, pour effectuer des mesures directes pionnières de sections efficaces d’excitation nucléaire par diffusion inélastique d’électrons entre quelques keV et la centaine de keV. Ce faisceau sera adapté à la production d’états nucléaires excités ayant quelques centaines de ns à quelques μs de durées de vie avec des sections efficaces d’excitation (...)

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