Description du sujet de thèse

Étude d’un dispositif de séparation par temps de vol (TOF) couplé à une source de désorption laser avec post ionisation résonante pour la quantification ultra trace d’isotopes en vue d’applications environnementales et médicales.

Contexte de travail

Le projet SMILES (Séparation en Masse couplée à l'Ionisation Laser pour des applications Environnementales et en Santé) vise à développer une instrumentation basée sur le couplage de l'ionisation laser à la séparation de masse afin de quantifier, séparer et purifier les isotopes pour des applications environnementales et en médecine nucléaire. En effet, alors que l'ionisation laser est sélective selon le numéro atomique, l'application d'un champ électromagnétique sépare les isotopes selon leur masse. Cette technique permet d'isoler un isotope avec une grande sélectivité tout en évitant ses isobares. Les expériences au sein du laboratoire SUBATECH concerneront des isotopes stables ou des radio-isotopes avec de très faibles activités à l'échelle d'ultra trace.
Une première liste d'isotopes d'intérêt a été déterminée afin de contraindre la conception du dispositif. Parmi eux, les isotopes du radium, de l'uranium et du plutonium dont le suivi des rapports isotopiques dans l'environnement sont des indicateurs importants des activités humaines dans le nucléaire ; mais aussi le cuivre pour lequel la quantification ou la séparation de ses isotopes a un intérêt à la fois pour des applications environnementales (couple des isotopes stables Cu-63 et Cu-65) mais aussi médicales (via Cu-64 et Cu-67).
Dans ce projet, deux dispositifs sont prévus : l'un de type électrostatique avec séparation en masse par temps de vol (time of flight, TOF), et un second utilisant un champ magnétique pour collecter les isotopes séparément. La source de neutres pourra selon les cas être thermique ou par désorption laser, les deux seront couplées à un dispositif de post ionisation laser résonante permettant la sélectivité isotopique recherchée. Un premier travail de thèse sur ce projet a déjà permis d'étudier et de définir un prototype de dispositif de TOF avec une source laser de désorption et post ionisation résonante. Ce prototype adaptable permettra de conduire les premières expérimentations qui seront croisées aux résultats des simulations afin de préciser les conditions opératoires et d'optimiser ainsi les performances de l'instrument à l'échelle ultra trace. Nous nous appuierons, pour ces premières expériences, sur les isotopes d'intérêts pressentis.
Le travail de thèse consistera à mettre en place, au sein du laboratoire SUBATECH, les expériences de séparation en masse couplée à l'ionisation laser sur les isotopes d'intérêt et d'étudier les applications possibles au regard des performances de l'instrument obtenues. Il s'agira également de simuler ces expériences à partir des modèles déjà développés en utilisant le logiciel d'optique ionique SIMION couplé à Matlab afin d'optimiser les paramètres de la source d'ions et de la ligne faisceau. Ces résultats permettront notamment de définir et d'instrumenter un TOF avec reflectron, plus performant, avec lequel se poursuivront les expériences.
Le doctorant ou la doctorante travaillera dans l'équipe PRISMA (Physics of Radiation Interaction with Matter and Applications) du laboratoire SUBATECH, qui mène des recherches fondamentales et appliquées sur l'interaction des rayonnements et des particules avec la matière. Le candidat ou la candidate devra :
- Être Diplômé d'un master en physique subatomique avec une composante instrumentale ou en physique des laser
- Avoir de bonnes connaissances dans un moins l'un des domaines suivants : électromagnétisme, physique des lasers, physique des détecteurs.
- Connaitre les langages de programmation Python et/ou Matlab.
- Avoir un goût pour la mise en place de bancs de test et l'analyse de données.
- Avoir une bonne compréhension orale et bonnes capacités à écrire et parler en anglais (niveau B2)
- Faire preuve de rigueur, d'aisance relationnelle avec des interlocuteurs de tous niveaux, d'esprit d'écoute et de coopération, de capacité à travailler en équipe.

Contraintes et risques

- utilisation de lasers
- environnement potentiellement soumis à des contraintes de radioprotection