Dispositifs expérimentaux pour les collisions atomiques
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Chap. 2
Dispositifs expérimentaux pour les collisions atomiques
I. Introduction : 2
II. Les sources d’ions : 3
II.1. Principe de base : 3
II.2. Différents exemples de sources : 3
II.2.1. Sources d'ions indium miniaturisées : 3
II.2.2. Source d’ions à métal liquide : 3
II.2.3. Source Duoplasmatron : 4
II.2.4. Source de Césium : 5
II.2.4. Source ECR : 5
III. Ligne de faisceau : 7
III.1. Dipôle d’analyse : 7
III.2. Focalisation et déviation : 8
III.3. Cages de Faraday et profileurs : 8
IV. Chambre de collision : 9
IV.1. Le faisceau : 9
IV.2. Le jet : 9
IV.2.1. La cellule gazeuse : 9
IV.2.2. Le jet effusif : 10
IV.2.3. Le jet supersonique : 10
IV.3. La détection : 11
IV.3.1. Détection de photons : 11
Chap. 2
Dispositifs expérimentaux
pour les collisions atomiques
I. Introduction :
Tout au long de ce cours, nous avons traité les collisions atomiques d’un point de vue formel. Dans ce chapitre, nous allons détailler le dispositif utile pour mettre en œuvre les expériences.
Il est évidemment nécessaire de produire les ions, puis les amener à la cible. Il faut ensuite produire la cible, et enfin recueillir les produits de la collision, que ce soient le projectile, la cible, les fragments, les photons ou les électrons (Figure 1). Finalement, les évènements doivent être visualisés et enregistrer, à des fins d’analyse.
Figure 1
II. Les sources d’ions : II.1. Principe de base :
Pour produire des ions, le seul moyen est de partir d’atomes et de les ioniser. Les atomes sont confinés ou non, et l’ionisation s’effectue soit par impact d’électrons, soit par combinaison d’ondes et d’électrons. Ces ions produits doivent aussi être gardés avant d’être extraits.
II.2. Différents exemples de sources : II.2.1. Sources d'ions indium miniaturisées :
Ces sources très compactes (cf. Figure 2 ci-contre) émettent des ions d'indium accélérés par des tensions faibles ou élevées. Elles produisent des courants compris entre 500 A et 6 mA.
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Figure 2
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Les ions peuvent être concentrés en faisceaux de quelques nm de diamètre. La faible consommation de ces sources en font des candidats idéaux pour l'espace.
II.2.2. Source d’ions à métal liquide :
La source est constituée d'un enroulement de fil de tungstène et d'une aiguille, également en tungstène, soudée par points en son centre. L'enroulement est utilisé comme chauffage pour la réserve de métal qui se trouve entre les spires. La pointe est du type épingle à cheveux ("hairpin") à chauffage direct.
Figure 3
Le métal source des ions est le gallium. Le chauffage permet la fusion du gallium. Soumis aux forces de tensions superficielles, une goutte liquide se forme en bout d'aiguille en forme de ménisque. La pointe de tungstène mouillée par le gallium liquide est placée à 0,5 mm du diaphragme d'extraction. Lorsqu'une tension d'environ 10 kV est appliquée entre la pointe et le diaphragme, le ménisque s'allonge en forme de cône. Ce cône, dit "cône de Taylor", est responsable de l'émission des ions formés par les atomes du métal liquide. L'ensemble de la source est porté à un potentiel variable pouvant atteindre 30 kV. Ceci permet d'ajuster l'énergie du faisceau d'ions.
II.2.3. Source Duoplasmatron :
Ces sources sont utilisées principalement pour la production des faisceaux 1H , 2H , 3He et 4He. Cependant, des faisceaux d'ions lourds négatifs (C- , O- et NH-) ou positifs (O2+) sont également produits par ce genre de sources. La décharge est produite par une tension de plusieurs centaines de volts entre l'anode et la cathode. Le plasma est confiné et entretenu par un champ magnétique réglable. Dans le cas de l'émission d'ions O2+, l'ensemble du duoplasmatron est porté à un potentiel positif de plusieurs kV par rapport à l'électrode d'extraction qui est reliée à la masse.
Figure 4
II.2.4. Source de Césium :
L'émission d'ions Cs+ est obtenue à partir d'une charge de carbonate de césium (Figure 5). Le boîtier métallique est porté à un potentiel élevé (couramment à 10kV). Un courant électrique réglable passe dans les filaments qui restent à un potentiel inférieur à 1kV. Les électrons émis par les filaments sont collectés par le boîtier et le chauffent. Le carbonate de césium est ainsi porté à plusieurs centaines de °C. La vapeur de carbonate de césium émise atteint l'autre extrémité du boîtier où une plaque de tungstène est chauffée à plus de 1000°C par l'autre filament. Les ions Cs+ sont créés lorsque la vapeur entre en contact avec la plaque. Ils sortent par l'ouverture du boîtier et sont accélérés par la différence de potentiel présente entre le boîtier et l'électrode d'extraction qui est reliée à la masse.
Figure 5
II.2.4. Source ECR :
ECR est l'acronyme de Electron Cyclotron Resonance (résonance électronique cyclotronique). Le sources ECR (en rouge sur la Figure 6) ont été inventées au CEA Grenoble dans les années 1970 par Richard Geller. Le principe de production d'ions multichargés est le suivant :
Un gaz quelconque est injecté dans une chambre de confinement. Une onde radio fréquence (plusieurs GHz) ionise le gaz et les électrons périphériques sont éjectés.
Sous l’influence d’un champ magnétique, les électrons du plasma tournent régulièrement à l’intérieur de la cavité de la source. L’application d’une onde électromagnétique de fréquence identique à la fréquence de giration des électrons permet d’accélérer les électrons, dont le rayon de giration s’accroît. C’est le principe de la résonance électronique cyclotronique. Ils vont à leur tour ioniser les ions et atomes et arracher les électrons des couches profondes.
Finalement la chambre contient un plasma, constitué d'atomes, d'ions, d'électrons et de photons.
Figure 6 : Source Supershypie 14,5 GHz du GANIL
Figure 7
La Figure 7 montre les performances de quelques sources pour des ions Xe. Remarquons tout d'abord que pour toutes les sources, le courant diminue lorsque l'état de charge augmente. Ce n'est pas surprenant dans la mesure où il est difficile d'ioniser les couches profondes. De plus, le courant augmente avec la fréquence de l'onde électromagnétique utilisée.
A plus haute énergie de projectile (MeV et au-delà), il est possible d’augmenter l’état de charge du projectile incident en le faisant traverser une feuille métallique.
III. Ligne de faisceau :
La ligne de faisceau est le support dans lequel est conduit le faisceau. Comme les ions sortent avec un profil quelconque, la conduite du faisceau requiert des éléments précis
III.1. Dipôle d’analyse :
Les ions sortant de la source ont des charges diverses. Le rôle du dipôle magnétique est de trier les ions en charge (Figure 8). Mais le dipôle trie en fait en charge par masse. Donc, même après le dipôle, les ions qui ont le même rapport q/m sont sélectionnés. Pour n’avoir qu’un seul type d’ions, il faut utiliser des gaz isotopiques. Par exemple, si l’on veut étudier une collision avec des ions Ne10+, il est nécessaire de prendre l’isotope 22 du Ne.
Figure 8
III.2. Focalisation et déviation :
Le faisceau est conduit dans la ligne au moyen de quadrupôles magnétiques, ou de lentilles électrostatiques (Einzel) dont le rôle est de focaliser ou défocaliser. La déviation, horizontale et verticale, est assurée par des bobines magnétiques ou "steerers".
III.3. Cages de Faraday et profileurs :
L'intensité du faisceau est contrôlée tout au long du parcours au moyen de cages de Faraday, qui mesurent une intensité totale. Les profileurs (Figure 9), constitués de fils séparés d'environ 1 mm, horizontaux et verticaux, aident à contrôler le centrage du faisceau, ainsi que ses dimensions.
Figure 9
IV. Chambre de collision :
Dans l’enceinte de collision, le faisceau entre en collision avec le jet et les produits de la réaction sont détectés et analysés.
IV.1. Le faisceau :
Suivant l’analyse à effectuer, suivant le nombre d’évènements à collecter, le faisceau aura un profil donné et des dimensions à préciser.
Sur une cible solide, le faisceau peut avoir une grande extension spatiale, ou être focalisé.
Sur une cible gazeuse, le profil dépend des produits de la réaction à détecter : dans le cas d'une détection de photons, par exemple, le faisceau est focalisé sur la cible, afin d'augmenter le nombre d'évènements. Pour des mesures de sections efficaces absolues différentielles en angle, le faisceau doit avoir un profil connu sur tout le parcours dans la chambre de collision. Il vaut mieux dans ce cas que le faisceau soit parallèle.
IV.2. Le jet :
Il existe différents types de jets. Ceux-ci peuvent être effusifs, supersoniques, ou produits dans une cellule gazeuse. L’utilisation de tel ou tel structure de jet dépend du but à atteindre.
IV.2.1. La cellule gazeuse :
La cellule gazeuse est par exemple constituée d’un cylindre, percé de trous afin de laisser passer le faisceau, et de recueillir les produits de la collision. L’idée est d’avoir une zone de collision de dimensions bien définie, dans laquelle le recouvrement entre le faisceau et le jet est bien déterminée, et d’avoir une cible dont la densité est uniforme dans cette zone. Les dimensions de la cellule sont très inférieures à celles de la chambre (quelques cm3).
IV.2.2. Le jet effusif :
Le jet effusif est le moyen le plus simple d’avoir une cible gazeuse. A partir d’une bouteille, un gaz est introduit dans la chambre par l’intermédiaire d’une micro vanne. Pour produire le jet, le gaz entre dans un tube de longueur de l’ordre de quelques cm, et de diamètre de l’ordre du mm. La buse est placée à une hauteur h du faisceau projectile la plus faible possible, afin d’obtenir un comptage (nombre d’évènements) maximum.
Plusieurs problèmes sont inhérents au jet effusif :
La densité du jet n’est pas uniforme. A h fixée, elle est maximum au centre et diminue lorsqu’on s’en éloigne, en cosm (m > 1), étant l’angle au sommet du cône du jet. La densité diminue aussi lorsque h augmente.
Si la buse, par laquelle s’échappe le gaz, n’est pas uniforme (défauts tels que des aspérités, …), la symétrie cylindrique est perdue.
Le jet a une pression inconnue, et qui ne peut pas être mesurée. Elle peut être calculée théoriquement, connaissant la pression résiduelle dans la chambre, ou la pression en amont. L’incertitude sur la détermination de la pression rend la mesure de sections efficaces périlleuse.
Un moyen d’éviter ces inconvénients est de mettre la buse le plus haut possible. Dans ce cas, le jet n’est plus effusif, et nous nous rapprochons des conditions d’expérience avec une cellule gazeuse.
IV.2.3. Le jet supersonique :
Le jet supersonique est un jet dont les caractéristiques en impulsion sont beaucoup mieux définies que pour un jet effusif. Pour obtenir un écoulement supersonique, une tuyère de dimensions parabolique (par exemple), appelée tuyère de Laval, est utilisée. La pression en amont (quelques centaines de bars) est très supérieure à la pression en aval.
Figure 10
IV.3. La détection :
Il existe de nombreux types de détecteurs de particules, chacun étant adapté à un type de particules donné, dans une gamme d'énergie déterminée. Rappelons le schéma type d'une collision :
Comme le montre la réaction, nous pouvons avoir à détecter des photons, des électrons, ou des ions, ou une combinaison de ces produits.
IV.3.1. Détection de photons :
Suivant l'énergie des photons, plusieurs types de détecteurs sont utilisés. Dans la gamme de longueur d'onde visible ou proche UV, un multiplicateur à dynodes suffit. Le principe est le suivant : un photon incident percute une dynode. Due à la différence de potentiel élevée entre les dynodes (~ 3kV), les électrons arrachés de la dynode sont accélérés et percutent une deuxième dynode, et ainsi de suite. Au final un photon engendre un signal électrique composé d'environ 106 électrons. Le courant électrique est converti en tension au moyen d'une résistance.
Figure 11
Figure 12
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