Les processus de collisions en Physique atomique

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

Dispositifs expérimentaux pour les collisions atomiques
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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.
Organigramme du dispositif
expérimental
Analyse
Enregistrement des évènements
Visualisation des évènements
Détection des évènements
Chambre de collision
zone de collision
Ligne de faisceau
conduite des ions
Source d'ions
Production des ions
Figure 1

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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.
Figure 2
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

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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

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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 :