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The GBAR experiment aims to perform the first free-fall experiment with antihydrogen atoms to test the weak equivalence principle with antimatter. In a first step, antihydrogen ions are synthesized through a double charge exchange reaction and then cooled by laser to reach sufficiently low energies to observe the effects of gravity. The synthesis of anti-ions requires a very large number of antiprotons. We report in this manuscript a new electrostaticinstrument for decelerating antiproton bunches from 100 keV to a few keV . This new technique aims to avoid losses caused by the use of degrader foils. Simulations based on a genetic algorithm made it possible to establish the most suitable electrostatic configurations. Preliminary tests carried out on a prototype are discussed. The technical characteristics of the deceleration system, particularly those related to UHV vacuum, high voltage and safety, are described. Finally, a secondary optical systems such as a switchyard or injection optics into a Penning trap are studied.; L’expérience GBAR vise à réaliser la première expérience de chute libre avec des atomes antihydrogène afin de tester le principe d’ équivalence faible avec de l’antimatière. Dans un premier temps, des ions antihydrogène sontsynthétisés à travers une double réaction d’échange de charges puis refroidis par laser pour atteindre des énergies suffisamment faibles pour observer les effets de la gravité. La synthèse d’anti-ions nécessite un très grand nombre d’antiprotons. Nous rapportons dans ce manuscrit un nouvel instrument électrostatique permettant de décélérer des paquets d’antiprotons de 100 keV à quelques keV. Cette nouvelle technique vise à éviter les pertes engendrées par l’utilisation de feuille de retardement. Des simulations basées sur un algorithme génétique ont permis d’établir les configurations électrostatiques les plus adaptées. Des tests préliminaires réalisés sur un prototype sont discutés. Les caractéristiques techniques du système de décélération notamment liées au vide, à la haute tension et à la protection des personnes sont d´écrites. Enfin, une ouverture sur des systèmes optiques secondaires tel qu’un aiguilleur/séparateur d’ions ou l’injection dans un piège de Penning sont étudiés.

Due to their inherent relationship with the binding energy, nuclear masses are the fingerprint of all the interactions taking place within the nucleus. As such, precise and accurate mass values are an essential ingredient to the comprehensive understanding of nuclear phenomena in exotic regions of the chart of nuclides. In this thesis, two key regions exhibiting dramatic structural evolution are investigated by means of high precision mass measurements performed with the online mass spectrometer ISOLTRAP at ISOLDE/CERN. Numerous spectroscopy results indicate that the chromium isotopic chain exhibits the most dramatic structural changes within the region situated south of 68Ni. This thesis reports on the first high-precision mass measurements of the neutron-rich 58−63Cr isotopes using the well established Penning trap mass spectrometry technique as well as the MRToF-MS technique pioneered at ISOLTRAP in recent years. The obtained mass values are up to 300 times more precise than the ones currently available in the literature. At odds with previous results, the new mass values exclude a sudden onset of ground-state collectivity rather favouring a smooth transition towards deformation approaching N=40. The question of the persistence of the N=28 shell closure in the Argon chain is also studied in this PhD work through the measurement of the neutron-rich 46−48Ar isotopes. The results of improved precision confirm the presence of a strong N=28 shell closure in the Argon chain. For both datasets, the detailed data analysis procedure will be presented. The implication of the obtained mass values for nuclear structure will be discussed through a phenomenological discussion of the binding energy trend. The results will also be discussed in the light of state of the art nuclear models including results from the promising valence-space formulation of the \emph{ab-initio} IM-SRG formalism.; Le lien étroit existant entre la masse d’un noyau et son énergie de liaison fait de la masse un observable incontournable pour enrichir notre compréhension de l’évolution de la structure nucléaire dans des régions de la carte des noyaux éloignées de la vallée de la stabilité. Dans cette thèse deux régions présentant d’importants changements structurales sont étudiés à travers des mesures de masses de haute précision effectuées à ISOLDE/CERN avec le spectromètre ISOLTRAP. De nombreux résultats de spectroscopie nucléaire indiquent que la chaîne isotopique du chrome présente les changements structurales les plus importants dans toute la région de déformation nucléaire observée au sud du nickel-68. Cette thèse présente les premières mesures de haute précision des isotopes 58−63Cr grâce à des techniques de spectrométrie de masse de pointe faisant appel à l’utilisation d’un piège de Penning ainsi qu’à un spectromètre en temps de vol de type MRToF-MS. Les mesures ainsi obtenues sont jusqu’à 300 fois plus précises que celles disponibles dans la littérature actuelle. Au contraire des résultats précédents, ces nouvelles mesures suggèrent une évolution progressive de l’état fondamental des chromes vers la déformation aux abords de N=40. La question de la persistance de la fermeture de couche à N=28 dans la chaine de l’argon est aussi abordée dans le cadre de cette thèse de doctorat à travers la mesure des isotopes 46-48 de l’argon. Les résultats d’une précision améliorée confirment la présence d’une forte fermeture de couche à N=28 dans l’argon. Pour chaque jeu de données la procédure d’analyse est détaillée. L’implication pour la physique nucléaire des résultats expérimentaux obtenus sont discutés de manière phénoménologique ainsi qu’à travers des modelés représentant l’état de l’art de la recherche en physique nucléaire théorique.

Due to their inherent relationship with the binding energy, nuclear masses are the fingerprint of all the interactions taking place within the nucleus. As such, precise and accurate mass values are an essential ingredient to the comprehensive understanding of nuclear phenomena in exotic regions of the chart of nuclides. In this thesis, two key regions exhibiting dramatic structural evolution are investigated by means of high precision mass measurements performed with the online mass spectrometer ISOLTRAP at ISOLDE/CERN. Numerous spectroscopy results indicate that the chromium isotopic chain exhibits the most dramatic structural changes within the region situated south of 68Ni. This thesis reports on the first high-precision mass measurements of the neutron-rich 58-63Cr isotopes using the well established Penning trap mass spectrometry technique as well as the MRToF-MS technique pioneered at ISOLTRAP in recent years. The obtained mass values are up to 300 times more precise than the ones currently available in the literature. At odds with previous results, the new mass values exclude a sudden onset of ground-state collectivity rather favouring a smooth transition towards deformation approaching N=40. The question of the persistence of the N=28 shell closure in the Argon chain is also studied in this PhD work through the measurement of the neutron-rich 46-48Ar isotopes. The results of improved precision confirm the presence of a strong N=28 shell closure in the Argon chain. For both datasets, the detailed data analysis procedure will be presented. The implication of the obtained mass values for nuclear structure will be discussed through a phenomenological discussion of the binding energy trend. The results will also be discussed in the light of state of the art nuclear models including results from the promising valence-space formulation of the ab-initio IM-SRG formalism.; Le lien étroit existant entre la masse d'un noyau et son énergie de liaison fait de la masse un observable incontournable pour enrichir notre compréhension de l'évolution de la structure nucléaire dans des régions de la carte des noyaux éloignées de la vallée de la stabilité. Dans cette thèse deux régions présentant d'importants changements structurales sont étudiés à travers des mesures de masses de haute précision effectuées à ISOLDE/CERN avec le spectromètre ISOLTRAP. De nombreux résultats de spectroscopie nucléaire indiquent que la chaîne isotopique du chrome présente les changements structurales les plus importants dans toute la région de déformation nucléaire observée au sud du nickel 68. Cette thèse présente les premières mesures de haute précision des isotopes 58-63Cr grâce à des techniques de spectrométrie de masse de pointe faisant appel à l'utilisation d'un piège de Penning ainsi qu'à un spectromètre en temps de vol de type MRToF-MS. Les mesures ainsi obtenues sont jusqu'à 300 fois plus précises que celles disponibles dans la littérature actuelle. Au contraire des résultats précédents, ces nouvelles mesures suggèrent une évolution progressive de l'état fondamental des chromes vers la déformation aux abords de N=40. La question de la persistance de la fermeture de couche à N=28 dans la chaine de l'argon est aussi abordée dans le cadre de cette thèse de doctorat à travers la mesure des isotopes 46-48 de l'argon. Les résultats d'une précision améliorée confirment la présence d'une forte fermeture de couche à N=28 dans l'argon. Pour chaque jeu de données la procédure d'analyse est détaillée. L'implication pour la physique nucléaire des résultats expérimentaux obtenus sont discutés de manière phénoménologique ainsi qu'à travers des modèles représentant l'état de l'art de la recherche en physique nucléaire théorique.

Due to their inherent relationship with the binding energy, nuclear masses are the fingerprint of all the interactions taking place within the nucleus. As such, precise and accurate mass values are an essential ingredient to the comprehensive understanding of nuclear phenomena in exotic regions of the chart of nuclides. In this thesis, two key regions exhibiting dramatic structural evolution are investigated by means of high precision mass measurements performed with the online mass spectrometer ISOLTRAP at ISOLDE/CERN. Numerous spectroscopy results indicate that the chromium isotopic chain exhibits the most dramatic structural changes within the region situated south of 68Ni. This thesis reports on the first high-precision mass measurements of the neutron-rich 58−63Cr isotopes using the well established Penning trap mass spectrometry technique as well as the MRToF-MS technique pioneered at ISOLTRAP in recent years. The obtained mass values are up to 300 times more precise than the ones currently available in the literature. At odds with previous results, the new mass values exclude a sudden onset of ground-state collectivity rather favouring a smooth transition towards deformation approaching N=40. The question of the persistence of the N=28 shell closure in the Argon chain is also studied in this PhD work through the measurement of the neutron-rich 46−48Ar isotopes. The results of improved precision confirm the presence of a strong N=28 shell closure in the Argon chain. For both datasets, the detailed data analysis procedure will be presented. The implication of the obtained mass values for nuclear structure will be discussed through a phenomenological discussion of the binding energy trend. The results will also be discussed in the light of state of the art nuclear models including results from the promising valence-space formulation of the \emph{ab-initio} IM-SRG formalism., Le lien étroit existant entre la masse d’un noyau et son énergie de liaison fait de la masse un observable incontournable pour enrichir notre compréhension de l’évolution de la structure nucléaire dans des régions de la carte des noyaux éloignées de la vallée de la stabilité. Dans cette thèse deux régions présentant d’importants changements structurales sont étudiés à travers des mesures de masses de haute précision effectuées à ISOLDE/CERN avec le spectromètre ISOLTRAP. De nombreux résultats de spectroscopie nucléaire indiquent que la chaîne isotopique du chrome présente les changements structurales les plus importants dans toute la région de déformation nucléaire observée au sud du nickel-68. Cette thèse présente les premières mesures de haute précision des isotopes 58−63Cr grâce à des techniques de spectrométrie de masse de pointe faisant appel à l’utilisation d’un piège de Penning ainsi qu’à un spectromètre en temps de vol de type MRToF-MS. Les mesures ainsi obtenues sont jusqu’à 300 fois plus précises que celles disponibles dans la littérature actuelle. Au contraire des résultats précédents, ces nouvelles mesures suggèrent une évolution progressive de l’état fondamental des chromes vers la déformation aux abords de N=40. La question de la persistance de la fermeture de couche à N=28 dans la chaine de l’argon est aussi abordée dans le cadre de cette thèse de doctorat à travers la mesure des isotopes 46-48 de l’argon. Les résultats d’une précision améliorée confirment la présence d’une forte fermeture de couche à N=28 dans l’argon. Pour chaque jeu de données la procédure d’analyse est détaillée. L’implication pour la physique nucléaire des résultats expérimentaux obtenus sont discutés de manière phénoménologique ainsi qu’à travers des modelés représentant l’état de l’art de la recherche en physique nucléaire théorique.

The most complex nuclei are situated between the magic and the mid-shell ones, in regions known for sudden changes of the trends of nuclear observables. These are the so-called shape-transition regions, where the nuclear paradigm changes from the vibrational liquid drop to the static rotor. With few exceptions, nuclei in these regions are radioactive, with half-lives dropping into the millisecond range.Complementing the information obtained from the low-lying excitation spectrum, nuclear binding energies and mean-square charge radii are among the observables most sensitive to these changes of nuclear structure. In the present work, a study of the shape-transition phenomenon is performed by measurements of radioactive nuclides produced by the ISOLDE facility at CERN. The masses of the neutron-rich rubidium isotopes 98−100Rb and of the neutron-deficient gold isotopes 180,185,188,190,191Au are determined using the Penning-trap mass spectrometer ISOLTRAP. The mass of 100Rb is determined for the first time. Significant deviations from the literature values are found for the isotopes 188,190Au. A new experimental method is presented, using a recently developed multi-reflection time-of-flight mass spectrometer as a beam-analysis tool for resonance-ionization laser spectroscopy. The new method opens the path to measurements of atomic hyperfine spectra with ISOLTRAP, from which charge radii and electromagnetic moments of radioactive nuclides can be extracted. The properties of the studied nuclides map the borders of two prominent regions of quadrupole deformation, which constrain the fine balance between pairing and quadrupole correlations in the nuclear ground states. This balance is studied by the Hartree-Fock- Bogoliubov (HFB) approach. The sensitivity of the shape-transition phenomenon to the strength of pairing correlations is demonstrated. In particular, the strong odd-even staggering of charge radii in the mercury isotopic chain is shown to result in the HFB approach from the fine interplay between pairing, quadrupole correlations and quasi-particle blocking., Les noyaux les plus complexes sont situés entre les nombres magiques et les médianes des espaces de valence, dans des régions connues pour les changements abrupts des observables nucléaires. Dans ces régions appelées de transition de forme, le paradigme nucléaire change entre la goutte liquide vibrationnelle et le rotor statique. Sauf quelques exceptions, les noyaux de ces régions sont radioactifs, avec des demi-vies qui chutent dans les millisecondes. Complémentaires aux propriétés des états excités à basse énergie, les énergies de liaison et les rayons de charge nucléaires sont parmi les observables les plus sensibles à ces changements de structure nucléaire. Dans ce travail, une étude du phénomène de transition de forme est effectuée, par des mesures de nucléides radioactifs produits dans le laboratoire ISOLDE au CERN. Les masses des isotopes de rubidium riches en neutrons 98-100Rb et des isotopes d’or riches en protons 180,185,188,190,191Au sont mesurées avec le spectromètre de masse de type Penning ISOLTRAP. La masse de 100Rb est déterminée pour la première fois. Des déviations significatives par rapport à la littérature sont trouvées pour les isotopes 188,190Au. Une nouvelle méthode expérimentale est présentée, utilisant un spectromètre de masse à multi-réflexion comme analyseur de faisceau pour la spectroscopie laser d’ionisation résonante. La nouvelle méthode donne la possibilité d’effectuer des études de structure hyperfine atomique avec ISOLTRAP, dont on peut extraire les rayons de charge et les moments électromagnétiques nucléaires.

The Gravitational Behaviour of Antihydrogen at Rest experiment - GBAR - is designed to perform a direct measurement of the weak equivalence principle on antimatter by measuring the acceleration (gbar) of antihydrogen atoms in free fall. Its originality is to produce Hbar+ ions and use sympathetic cooling to achieve µK temperature. Hbar+ ions are produced by the reactions : pbar + Ps -> Hbar + e-, and Hbar + Ps -> Hbar+ + e-, where pbar is an antiproton, Ps stands for positronium (the bound-state of a positron and an electron), Hbar is the antihydrogen and Hbar+ the antiion associated. To produce enough Ps atoms, 2x10^10 positrons must be impinged on a porous SiO2 target within 100ns. Such an intense flux requires the accumulation (collection and cooling) of the positrons in a particle trap. This thesis describes the injector being commissioned at CEA Saclay for GBAR. It consists of a Penning-Malmberg trap (moved from RIKEN) fed by a slow positron beam. A 4.3MeV linear accelerator shooting electrons on a tungsten target produces the pulsed positron beam, which is moderated by a multi-grid tungsten moderator. The slow positron flux is 10^4 e+/pulse, or 2x10^6 e+/s at 200Hz. This work presents the first ever accumulation of low-energy positrons produced by an accelerator (rather than a radioactive source) and their cooling by a prepared reservoir of 2x10^10 cold electrons.; L'expérience GBAR - Gravitational Behaviour of Antihydrogen at Rest - est conçue pour réaliser un test direct du principe d'équivalence faible sur l'antimatière. Son objectif est de mesurer l'accélération d'un antiatome d'hydrogène en chute libre, appelée Gbar. Son originalité réside dans la production d'antiions Hbar+ pour appliquer le refroidissement sympathique afin d'obtenir une température de l'ordre du µK, indispensable à la réalisation de la mesure. Les ions Hbar+ sont produits par les réactions : pbar + Ps -> Hbar + e-, puis Hbar + Ps -> Hbar+ + e-, où pbar représente l'antiproton, Ps le positronium (l'état lié entre le positon et l'électron), Hbar l'antihydrogène et Hbar+ l'antiion associé. Pour produire la quantité de Ps nécessaire à l'expérience GBAR, 2x10^10 positons doivent être injectés sur une cible mésoporeuse de SiO2 en moins de 100ns. Un tel flux nécessite l'accumulation et le refroidissement des positons dans un piège à particules.Cette thèse décrit l'injecteur de positons en phase de démonstration à Saclay pour l'expérience GBAR. Il est constitué d'un piège de Penning-Malmberg (emprunté au laboratoire du RIKEN) alimenté par un faisceau de positons lents. Un accélérateur linéaire d'électrons de 4.3MeV produit le faisceau pulsé de positons en tirant sur une cible de tungstène, modéré ensuite par un modérateur constitué de multiples couches de grilles de tungstène. Le flux de positons lents est de 10^4 e+/pulse, soit 2x10^6 e+/s à 200Hz. Nous présentons dans ce document la toute première accumulation de positons produit par un accélérateur (plutôt qu'une source radioactive), et leur refroidissement dans un plasma de 2x10^10 électrons préalablement chargés dans le piège.

The Gravitational Behaviour of Antihydrogen at Rest experiment - GBAR - is designed to perform a direct measurement of the weak equivalence principle on antimatter by measuring the acceleration (gbar) of antihydrogen atoms in free fall. Its originality is to produce Hbar+ ions and use sympathetic cooling to achieve µK temperature. Hbar+ ions are produced by the reactions : pbar + Ps -> Hbar + e-, and Hbar + Ps -> Hbar+ + e-, where pbar is an antiproton, Ps stands for positronium (the bound-state of a positron and an electron), Hbar is the antihydrogen and Hbar+ the antiion associated. To produce enough Ps atoms, 2x10^10 positrons must be impinged on a porous SiO2 target within 100ns. Such an intense flux requires the accumulation (collection and cooling) of the positrons in a particle trap. This thesis describes the injector being commissioned at CEA Saclay for GBAR. It consists of a Penning-Malmberg trap (moved from RIKEN) fed by a slow positron beam. A 4.3MeV linear accelerator shooting electrons on a tungsten target produces the pulsed positron beam, which is moderated by a multi-grid tungsten moderator. The slow positron flux is 10^4 e+/pulse, or 2x10^6 e+/s at 200Hz. This work presents the first ever accumulation of low-energy positrons produced by an accelerator (rather than a radioactive source) and their cooling by a prepared reservoir of 2x10^10 cold electrons., L'expérience GBAR - Gravitational Behaviour of Antihydrogen at Rest - est conçue pour réaliser un test direct du principe d'équivalence faible sur l'antimatière. Son objectif est de mesurer l'accélération d'un antiatome d'hydrogène en chute libre, appelée Gbar. Son originalité réside dans la production d'antiions Hbar+ pour appliquer le refroidissement sympathique afin d'obtenir une température de l'ordre du µK, indispensable à la réalisation de la mesure. Les ions Hbar+ sont produits par les réactions : pbar + Ps -> Hbar + e-, puis Hbar + Ps -> Hbar+ + e-, où pbar représente l'antiproton, Ps le positronium (l'état lié entre le positon et l'électron), Hbar l'antihydrogène et Hbar+ l'antiion associé. Pour produire la quantité de Ps nécessaire à l'expérience GBAR, 2x10^10 positons doivent être injectés sur une cible mésoporeuse de SiO2 en moins de 100ns. Un tel flux nécessite l'accumulation et le refroidissement des positons dans un piège à particules.Cette thèse décrit l'injecteur de positons en phase de démonstration à Saclay pour l'expérience GBAR. Il est constitué d'un piège de Penning-Malmberg (emprunté au laboratoire du RIKEN) alimenté par un faisceau de positons lents. Un accélérateur linéaire d'électrons de 4.3MeV produit le faisceau pulsé de positons en tirant sur une cible de tungstène, modéré ensuite par un modérateur constitué de multiples couches de grilles de tungstène. Le flux de positons lents est de 10^4 e+/pulse, soit 2x10^6 e+/s à 200Hz. Nous présentons dans ce document la toute première accumulation de positons produit par un accélérateur (plutôt qu'une source radioactive), et leur refroidissement dans un plasma de 2x10^10 électrons préalablement chargés dans le piège.

Mass measurements provide important information concerning nuclear structure. This work presents results from the pioneering Penning trap spectrometer Isoltrap at CERN-ISOLDE. High-precision mass measurements of neutron-rich manganese (58−66Mn) and krypton isotopes (96,97Kr) are presented, of which the 66Mn and 96,97Kr masses are measured for the first time. In particular, the mass of 97Kr was measured using the preparation trap and required the definition of a new fit function. In the case of the manganese isotopes, the N = 40 shell closure is addressed. The two-neutron-separation energies calculated from the new masses show no shell closure at N = 40 but give an estimation of the proton-neutron interaction (around 0.5 MeV) responsible for the increase of collectivity and nuclear deformation in this mass region. The new krypton masses show behavior in sharp contrast with heavier neighbors where sudden and intense deformation is present, interpreted as the establishment of a nuclear quantum shape/phase transition critical-point boundary. The new masses confirm findings from nuclear mean-square charge-radius measurements up to N = 60 but are at variance with conclusions from recent gamma-ray spectroscopy. Another part of this work was the design of new decay spectroscopy system behind the Isoltrap mass spectrometer. The beam purity achievable with Isoltrap will allow decay studies with and detection coupled to a tape-station. This system has been mounted and commissioned with the radioactive beam 80Rb.

Correlation measurements in B transitions are performed at low energy with high precision to highlight new physics beyond the Standard Model. In LPC-Caen, the team Interactions fondamentales has built an ion trapping based set-up, LPCTrap, installed at LIRAT-GANIL and initially dedicated to the precise measurement of the B-v angular correlation parameter in the pure Gamow-Teller decay of 6He nuclei. This parameter is sensitive to the coupling constants of weak interaction, and its precise determination enables to search for exotic tensor contribution. The goal of the present work is twofold. Firstly, the progress of this 6He project is presented in its theoretical and experimental framework, and, secondly, short and mean range plans at GANIL in this fundamental field are discussed.; Les mesures de corrélation dans les transitions B sont des mesures de précision effectuées à basse énergie dans le but de mettre en évidence une physique au-delà du Modèle Standard. Le groupe Interactions fondamentales du LPC Caen a développé dans ce cadre un dispositif de piégeage d'ions, LPCTrap, installé sur la ligne LIRAT au GANIL. Le projet initial, dont l'objectif était de mesurer précisément le coefficient de corrélation angulaire B-v dans la décroissance B des noyaux 6He, arrive à son terme. Ce coefficient est sensible aux constantes de couplage de l'interaction faible et l'expérience permet donc de tester l'existence éventuelle d'un couplage exotique rejeté par le Modèle Standard. L'objectif du travail présenté est de donner l'état des lieux de l'expérience 6He en fin de parcours en la resituant dans son cadre théorique et expérimental, et de présenter les perspectives du groupe dans le domaine à court et moyen termes.

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.

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.

Magic numbers or shell closures, are an important feature of nuclear structure, but now found to be modified far from stability. Determination of the nuclear binding energy via mass measurements of exotic nuclides represents one of the greatest challenges in thestudy of nuclear structure due to the high precision required and the low production rates and short half-lives. To solve the problem, the complementary spectrometers MISTRAL and ISOLTRAP may be used, both located at ISOLDE/CERN (Geneva). MISTRAL is a transmission mass spectrometer for very short-lived nuclides, and ISOLTRAP a Penningtrap mass spectrometer providing exceptional precision. This thesis describes improvements in the limitations of these complementary instruments: a beam cooler to increase the sensitivity of MISTRAL and an optimization procedure to improve the definition of the ISOLTRAP trapping fields. High-precision mass measurements were performed at ISOLTRAP to extend the backbone of well-known nuclides in the mass table, and to finely examine the case for new magic numbers N = 32 and 40. The results illustrate a subtle effect of extra binding energy for 56Cr32 in the presence of a probable deformation. A small effect is visible for 68Ni40, perhaps in conjunction with a competitive mid-shell effect at N = 39, the case for a shell or even sub-shell closure at N = 40 is excluded by these results.; Les nombres magiques ou fermetures de couche sont une des caractéristiques importantes de la structure nucléaire, mais qui sont modifiés loin de la vallée de stabilité. La détermination de l'énergie de liaison, via des mesures de masse sur les noyaux exotiques, représente un des plus grands challenge dans l'étude de la structure nucléaire à cause de la précision importante qui est nécessaire, et du faible taux de production, ainsi que les courtes durées de vie. Afin de résoudre le problème, deux spectromètres de masse ISOLTRAP et MISTRAL peuvent être utilisés, tous les deux situés à ISOLDE/CERN (Genève). MISTRAL est un spectromètre de masse à transmission pour les noyaux de courtes durées de vie, et ISOLTRAP est un spectromètre de masse basé sur l'utilisation de pièges de Penning, qui effectue des mesures de masses de haute précision. Cette thèse décrit les techniques pour repousser les limites de ces deux instruments complémentaires: un système de refroidissement de faisceau pour améliorer la sensibilité de MISTRAL et une procédure d'optimisation pour améliorer la définition des champs de piégeage d'ISOLTRAP. Des mesures très précises ont été effectuées avec ISOLTRAP afin d'augmenter le nombre de noyaux très bien connus dans la table de masse, et afin d'examiner le cas de deux nouveaux nombres magiques N = 32 et N = 40. Les résultats montrent un surplus d'énergie de liaison pour le 56Cr32 dû à la présence d'une probable déformation. Un faible effetapparait pour le 68Ni40, peut-être dû à une compétition avec la demi-couche à N = 39, la présence d'une fermeture de couche à N = 40 est exclue par nos résultats.

Magic numbers or shell closures, are an important feature of nuclear structure, but now found to be modified far from stability. Determination of the nuclear binding energy via mass measurements of exotic nuclides represents one of the greatest challenges in thestudy of nuclear structure due to the high precision required and the low production rates and short half-lives. To solve the problem, the complementary spectrometers MISTRAL and ISOLTRAP may be used, both located at ISOLDE/CERN (Geneva). MISTRAL is a transmission mass spectrometer for very short-lived nuclides, and ISOLTRAP a Penningtrap mass spectrometer providing exceptional precision. This thesis describes improvements in the limitations of these complementary instruments: a beam cooler to increase the sensitivity of MISTRAL and an optimization procedure to improve the definition of the ISOLTRAP trapping fields. High-precision mass measurements were performed at ISOLTRAP to extend the backbone of well-known nuclides in the mass table, and to finely examine the case for new magic numbers N = 32 and 40. The results illustrate a subtle effect of extra binding energy for 56Cr32 in the presence of a probable deformation. A small effect is visible for 68Ni40, perhaps in conjunction with a competitive mid-shell effect at N = 39, the case for a shell or even sub-shell closure at N = 40 is excluded by these results.; Les nombres magiques ou fermetures de couche sont une des caractéristiques importantes de la structure nucléaire, mais qui sont modifiés loin de la vallée de stabilité. La détermination de l'énergie de liaison, via des mesures de masse sur les noyaux exotiques, représente un des plus grands challenge dans l'étude de la structure nucléaire à cause de la précision importante qui est nécessaire, et du faible taux de production, ainsi que les courtes durées de vie. Afin de résoudre le problème, deux spectromètres de masse ISOLTRAP et MISTRAL peuvent être utilisés, tous les deux situés à ISOLDE/CERN (Genève). MISTRAL est un spectromètre de masse à transmission pour les noyaux de courtes durées de vie, et ISOLTRAP est un spectromètre de masse basé sur l'utilisation de pièges de Penning, qui effectue des mesures de masses de haute précision. Cette thèse décrit les techniques pour repousser les limites de ces deux instruments complémentaires: un système de refroidissement de faisceau pour améliorer la sensibilité de MISTRAL et une procédure d'optimisation pour améliorer la définition des champs de piégeage d'ISOLTRAP. Des mesures très précises ont été effectuées avec ISOLTRAP afin d'augmenter le nombre de noyaux très bien connus dans la table de masse, et afin d'examiner le cas de deux nouveaux nombres magiques N = 32 et N = 40. Les résultats montrent un surplus d'énergie de liaison pour le 56Cr32 dû à la présence d'une probable déformation. Un faible effetapparait pour le 68Ni40, peut-être dû à une compétition avec la demi-couche à N = 39, la présence d'une fermeture de couche à N = 40 est exclue par nos résultats.

The future SPIRAL2 installation of GANIL, at Caen, will produce large range of exotic nuclei with very high intensities. Nevertheless, these beams could not be used directly for some high precision studies and will have to be purified first. To achieve this work, teams of CENBG, MPIK (Heidelberg), CSNSM, LPC Caen, GANIL and IPNO develop a double Penning trap in the framework of the PIPERADE project. Because this double Penning-trap needs some shaping work (reduction of transverse emittance and bunching), the CENBG team is in charge of the realisation of a radio-frequency quadrupole cooler and buncher : the GPIB. This developpement work was the main part of my PhD work, especially for the simulations of this cooler buncher whose results lead us to find a new bunching method and allowed us to approve its mechanical design. We also have an ion source to be able to test both GPIB and Penning trap and I had to reassemble it, to understand it and to characterise it before these tests could be achieved. In a second time I also took part to the analysis of the E622S experiment which aimed to determined precisely the 17F half-life. This work did not lead to a more precise determination of this half-life but we now have some doubts concerning the 2 last measurements and their way to determine the contamination rate of their radioactive samples., La future installation SPIRAL2 du GANIL, à Caen, permettra de produire une gamme étendue de noyaux exotiques avec des intensités très importantes. Cependant, ces faisceaux ne pourront pas être directement utilisés pour réaliser certaines études de haute précision et devront d'abord être purifiés. C'est pour réaliser ce travail que des équipes du CENBG, du MPIK (Heidelberg), du CSNSM, du LPC Caen, du GANIL et de l'IPNO développent un double-piège de Penning dans le cadre du projet PIPERADE. Ce double-piège nécessitant un travail de mise en forme préalable du faisceau (diminution de l'émittance transverse et mise en paquet), le CENBG est en charge de la réalisation d'un refroidisseur-regroupeur quadripolaire radiofréquence : le GPIB. C'est ce développement qui a constitué la majeure partie de mon travail de thèse, notamment en ce qui concerne les simulations de ce refroidisseur-regroupeur dont les résultats ont permis de trouver une méthode innovante pour la mise en paquet et de valider sa conception mécanique. Nous disposons également d'une source d'ions afin de pouvoir tester le GPIB et le double-piège et il m'a fallu la remonter, la comprendre et la caractériser pour que ces tests soient ensuite possibles. Dans un second temps j'ai aussi participer à l'analyse de l'expérience E622S menée au GANIL et qui avait pour but de déterminer précisément la demi-vie de 17F. Ce travail n'a pas permis d'améliorer la précision sur la demi-vie de 17F mais nous avons cependant quelques doutes sur les 2 précédentes mesures et sur leur détermination du taux de contamination de leurs échantillons.