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Photoneutron cross sections were measured for $^{137}$Ba and $^{138}$Ba at energies below two-neutron threshold using quasi-monochromatic $\gamma$-ray beams produced in laser Compton-scattering at the NewSUBARU synchrotron radiation facility. The photoneutron data are used to constrain the $\gamma$-ray strength function on the basis of the Hartree-Fock-Bogolyubov plus quasi-particle random phase approximation using the Gogny D1M interaction. Supplementing the experimentally constrained $\gamma$-ray strength function with the zero-limit E1 and M1 contributions which are unique to the deexcitation mode, we discuss radiative neutron capture cross sections relevant to the s-process nucleosynthesis of barium isotopes in the vicinity of the neutron magic number 82., Comment: arXiv admin note: substantial text overlap with arXiv:1811.00291, arXiv:1804.07654

The radiative neutron capture rates for isotopes of astrophysical interest are commonly calculated on the basis of the statistical Hauser Feshbach (HF) reaction model, leading to smooth and monotonically varying temperature-dependent Maxwellian-averaged cross sections (MACS). The HF approximation is known to be valid if the number of resonances in the compound system is relatively high. However, such a condition is hardly fulfilled for keV neutrons captured on light or exotic neutron-rich nuclei. For this reason, a different procedure is proposed here, based on the generation of statistical resonances. This novel technique, called the “High Fidelity Resonance” (HFR) method is shown to provide similar results as the HF approach for nuclei with a high level density but to deviate and be more realistic than HF predictions for light and neutron-rich nuclei or at relatively low sub-keV energies. The MACS derived with the HFR method are systematically compared with the traditional HF calculations for some 3300 neutron-rich nuclei and shown to give rise to significantly larger predictions with respect to the HF approach at energies of astrophysical relevance. For this reason, the HF approach should not be applied to light or neutron-rich nuclei. The Doppler broadening of the generated resonances is also studied and found to have a negligible impact on the calculated MACS., SCOPUS: ar.j, info:eu-repo/semantics/published

Still, the nuclear fission process and the de-excitation of the fission fragments is not fully understood. Current theoretical models can not predict and explain correctly every experimentally observed correlations, and new correlated data upon neutron emission, gamma-ray emission and kinetic energy of the fission fragments are needed. In this context, coincident use of a fission fragment detector and the CARMEN detector would provide compelling data for these models by measuring both neutron multiplicity, total gamma-ray energy, total kinetic energy and possibly total neutron energy. The work presented here consists in developing a fission fragment detector and using it together with CARMEN in order to perform fission calorimetry measurements. Initially, we developed a new detector for fission studies whose principle is dissolving the actinide of choice into an organic liquid scintillator. Monte Carlo simulations and neutron induced experiments were used to fully characterize its performances and shown it can be used as a fission trigger for various measurements, such as fission cross section or spontaneous fission rate measurements, and used as a fission veto. The second part of this work was dedicated to the study of CARMEN’s ability to measure the total gamma-ray energy and total neutron energy released in fission. For this purpose, lab characterization of the detector’s performances and Monte Carlo simulation and analysis of its “prompt” response to neutrons and gamma-rays were performed, La désexcitation des fragments de fission reste mal comprise et les modèles théoriques ne permettent pas de prédire et d’expliquer toutes les corrélations observées dans le processus de fission. Il y a un besoin important de données simultanées sur les émissions de neutrons et de rayonnements gamma et sur l’énergie cinétique des fragments de fission. Dans ce contexte, l’utilisation d’un détecteur de fragments de fission avec le détecteur CARMEN permettrait de fournir des données contraignantes pour les modèles grâce à la mesure simultanée de la multiplicité neutronique, de l’énergie totale gamma rayonnée, de l’énergie cinétique totale des fragments et potentiellement de l’énergie totale neutron. L’objectif de ce travail de thèse a consisté à développer un détecteur de fragments de fission et à l’utiliser en association avec CARMEN pour réaliser des mesures calorimétriques de la fission. Dans un premier temps, nous avons développé un nouveau détecteur pour l’étude de la fission dont le principe est de mettre un actinide en solution dans un scintillateur organique. Des simulations Monte Carlo et différentes expériences sous faisceau de neutrons ont permis de caractériser et d’optimiser les performances de ce détecteur qui peut être utilisé comme trigger fission pour différentes mesures de sections efficaces de fission, de taux de fission spontanée ou encore comme veto fission. Dans un second temps, nous avons étudié les possibilités de mesure de l’énergie totale gamma et neutron rayonnée dans la fission avec CARMEN grâce à la caractérisation expérimentale de ses performances et à la simulation Monte Carlo et l’analyse de sa réponse « prompte » aux neutrons et aux rayonnements gamma

Still, the nuclear fission process and the de-excitation of the fission fragments is not fully understood. Current theoretical models can not predict and explain correctly every experimentally observed correlations, and new correlated data upon neutron emission, gamma-ray emission and kinetic energy of the fission fragments are needed. In this context, coincident use of a fission fragment detector and the CARMEN detector would provide compelling data for these models by measuring both neutron multiplicity, total gamma-ray energy, total kinetic energy and possibly total neutron energy. The work presented here consists in developing a fission fragment detector and using it together with CARMEN in order to perform fission calorimetry measurements. Initially, we developed a new detector for fission studies whose principle is dissolving the actinide of choice into an organic liquid scintillator. Monte Carlo simulations and neutron induced experiments were used to fully characterize its performances and shown it can be used as a fission trigger for various measurements, such as fission cross section or spontaneous fission rate measurements, and used as a fission veto. The second part of this work was dedicated to the study of CARMEN’s ability to measure the total gamma-ray energy and total neutron energy released in fission. For this purpose, lab characterization of the detector’s performances and Monte Carlo simulation and analysis of its “prompt” response to neutrons and gamma-rays were performed, La désexcitation des fragments de fission reste mal comprise et les modèles théoriques ne permettent pas de prédire et d’expliquer toutes les corrélations observées dans le processus de fission. Il y a un besoin important de données simultanées sur les émissions de neutrons et de rayonnements gamma et sur l’énergie cinétique des fragments de fission. Dans ce contexte, l’utilisation d’un détecteur de fragments de fission avec le détecteur CARMEN permettrait de fournir des données contraignantes pour les modèles grâce à la mesure simultanée de la multiplicité neutronique, de l’énergie totale gamma rayonnée, de l’énergie cinétique totale des fragments et potentiellement de l’énergie totale neutron. L’objectif de ce travail de thèse a consisté à développer un détecteur de fragments de fission et à l’utiliser en association avec CARMEN pour réaliser des mesures calorimétriques de la fission. Dans un premier temps, nous avons développé un nouveau détecteur pour l’étude de la fission dont le principe est de mettre un actinide en solution dans un scintillateur organique. Des simulations Monte Carlo et différentes expériences sous faisceau de neutrons ont permis de caractériser et d’optimiser les performances de ce détecteur qui peut être utilisé comme trigger fission pour différentes mesures de sections efficaces de fission, de taux de fission spontanée ou encore comme veto fission. Dans un second temps, nous avons étudié les possibilités de mesure de l’énergie totale gamma et neutron rayonnée dans la fission avec CARMEN grâce à la caractérisation expérimentale de ses performances et à la simulation Monte Carlo et l’analyse de sa réponse « prompte » aux neutrons et aux rayonnements gamma

Er and Yb are two refractory rare-earth elements that have overall similar crystallochemical properties but differ in their temperatures of condensation from the nebular gas. We developed an analytical protocol for the measurement of Er and Yb isotope compositions 1) to establish their isotopic variability in terrestrial magmatic processes 2) to compare their isotopic composition in chondrites, Earth and Moon in order to study fractionation during the high temperature condensation of vapor formed by the giant impact that generated the Moon. The range of mass-dependent isotope fractionation obtained is larger for Yb than Er isotopes. Two effects contribute to the difference between Er and Yb : a redox effect and a temperature effect.First, for terrestrial rocks, the presence of a small fraction of Yb(2+) together with the most common Yb(3+) is inferred from the positive corre- lation between δYb and the La/Yb ratio. Yb(3+) fractionates favorably into tighter bonds and, at the same time, is much more compatible than Yb(2+). Small-degree melts (kimberlite) tend to be enriched in the heavy Yb isotopes, whereas the opposite is true for residual garnets. Second, the stronger volatility of Yb with respect to Er is demonstrated by the apparent deficit of heavy Yb isotopes in the Moon with respect to the Earth, chondrites, and eucrites. Separation of vapor from melt and of heavy from light isotopes is first expected during the adiabatic expansion of the initial vapor plume. Subsequently, friction between melt and gas tends to further enrich the Moon feeding zone in silicate vapor to compensate the inward migration of melt out of the pre-lunar disk. The lighter isotope composition of Yb in lunar samples provides new evidence that the Moon formed by condensation of silicate vapor in the aftermath of the giant lunar impact.Erbium isotope ratios in lunar samples reflect for the first time the capture by 167Er of secondary neutrons produced by interactions of galactic cosmic rays with the lunar surface. The cross section of 167Er for neutron capture being particularly strong and its first resonance standing out at energies poorly covered by other nuclides, 167Er anomalies may help refine the knowledge of the neutron energy spectrum on the Moon and other planetary bodies., Nous avons développé une méthode pour analyse isotopique de Yb et Er, deux terres rares aux propriétés chimiques identiques et aux températures de condensation différentes, avec comme objectifs (1) de déterminer la variabilité isotopique de ces éléments dans les processus pétrologiques terrestres, et (2) de comparer leurs compositions isotopiques dans les chondrites, la Terre et la Lune afin de déterminer le rôle potentiel de la condensation à haute température à partir de vapeurs qui a suivi l’impact géant à l’origine de la formation de la Lune. Les résultats obtenus montrent une plus grande variabilité des fractionnements isotopiques de Yb par rapport à ceux d’Er. Deux effets contribuent à cette différence : un effet oxydo-réducteur et un effet de température.La corrélation positive obtenue entre la composition isotopique en Yb, et le rapport La/Yb dans les échantillons terrestres, peut être interprétée par la présence d’une faible fraction d’ Yb(2+), Yb étant majoritairement présent sous la forme Yb(3+). La kimberlite (liquide magmatique formé par un faible taux de fusion partielle) est enrichie en isotopes lourds et les grenats, résidus de fusion partielle, sont isotopiquement légers, tandis que les basaltes de ride ou d’îles ont des compositions isotopiques intermédiaires.La composition isotopique en Yb de la Lune est enrichie en isotopes légers par rapport à celle de la Terre et des chondrites. Dans le disque proto-lunaire, les frictions entre les phases fondues et gazeuses favorisent la migration des premiers condensats très réfractaires et enrichis en isotopes lourds vers la Terre, et celle de la vapeur enrichie en isotopes légers, vers l’extérieur, au-delà de la limite de Roche à partir de laquelle la Lune s’accrète. Ceci est un nouvel argument en faveur de la condensation de la Lune à partir de vapeur générée par un impact géant.La mesure de la composition isotopique d’Er dans les échantillons lunaires reflète pour la première fois la capture par 167Er des neutrons produits par interaction du rayonnement cosmique galactique avec la surface lunaire. L’apport de Er aux systèmes communément utilisés pour déterminer le spectre d’énergie des neutrons d’un matériau peut permettre de couvrir une gamme énergétique plus large et de disposer ainsi d’un proxy plus complet pour l’étude des histoires des irradiations des matériaux planétaires.

Ce travail met en évidence un mécanisme de résonance pouvant rendre compte des valeurs très grandes des sections efficaces de capture des neutrons lents observées pour quelques éléments par Fermi (plus de mille fois la section nucléaire), sans supposer d'action à distance entre les neutrons et les noyaux. Pour une interaction limitée au domaine nucléaire, les états stationnaires possibles du neutron sont en nombre fini, et il peut arriver que l'un d'eux corresponde à une énergie de liaison nulle (niveau d'énergie « superficiel »). Les grandes sections efficaces pour la capture d'un neutron, avec émission d'un photon y, se présenteront s'il existe dans le noyau un niveau neutronique libre de type P énergétiquement profond, sur lequel se fera la capture, et un niveau superficiel de type S déterminant la résonance. Le calcul complet est fait dans l'hypothèse schématique d'un potentiel d'interaction constant ε 0 limité à une sphère de rayon r0. Il donne des sections efficaces σc négligeables sauf pour les neutrons d'énergie ω très petite, pour lesquels on a aproximativement [FORMULE]. La résonance se produit pour cos ρ0 = 0; si elle est seulement approchée, la section efficace de capture sera grande pour les neutrons très lents, et proportionnelle à l'inverse de la vitesse. La résonance qui détermine les grandes sections efficaces lient au comportement de l'onde neutronique incidente dans la région du noyau ; elle peut donc jouer aussi pour une capture du neutron associée à l'émission d'une particule matérielle mais alors l'existence d'un niveau P profond n'est plus nécessaire. Enfin l'étude d'un potentiel quelconque à décroissance rapide, montre l'existence généiale des phénomènes de résonance analysés ici dans le cas schématique du « trou » de potentiel.