THESE_2007 - TEL (thèses-en
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Soutenance de thèse de Directeur de thèse: Paul INDELICATO Laboratoire Kastler-Brossel 1 Piégeage de molécules monochargées Système d’imagerie pour l’étude de la cinématique transversale des ions Spectroscopie X de la source SIMPA Piégeage d’ions très chargés Objectif : mesure de durée de vie Lamb shift 1s dans les ions lourds à 1 électron 2 • I-Introduction – A) Intérêt d’étudier ions très chargés – B) Applications – C) Objectifs de nos expériences • II-La source d’ions SIMPA – A)Principe de fonctionnement – B)Performances • III-Le piége à faisceaux d’ions électrostatique – A)Intérêt du piégeage – B)Fonctionnement du piège – C)Résultats expérimentaux • IV-Mesures de durée de vie – A)Présentation de cas pertinents 3 • V-Perspectives et Conclusion A) Intérêt des ions très chargés B) Applications C) Objectifs de nos expériences 4 +Z 5 1- Ils sont présents partout Plasma astrophysique: Vent solaire, Couronne solaire Plasma terrestre : Tokamak, Accélérateurs d’ions 2- Sensibilité aux effets QED •Vitesse relativiste des électrons •Polarisation du vide •Self-énergie • 3- Augmentation de l’énergie des niveaux atomiques • Effets relativistes visibles • Photons émis dans la gamme des rayons X (1 à 10 keV) 6 Phys. Rev. Lett. 89, 281101 (2002) Determination of Hyperfine-Induced Transition Rates from Observations of a Planetary Nebula 7 Nanotechnologies Application à la gravure Objectif : stocker plus d’informations • Standards pour les rayons X • Diagnostic de plasma • Ion Beam Therapy 8 Piégeage d’ions très chargés Ar9+,Ar 13+,Ar14+ pour la mesure de durée de vie d’états métastables (Transition M1 avec des durées de l’ordre de la dizaine de millisecondes) Tests des théories du problème à N corps relativiste 1 2 3 9 A) Principe de fonctionnement B) Performances 10 Piégeage du paquet d’ions Centrage et hâchage du faisceau d’ions Extraction des ions de la source Focalisation du faisceau d’ions Selection sur le rapport q/m 11 1 à 400 W quelques dizaines de keV 12 Surface de résonance Ions piégés par la charge d’espace des électrons Gaz support (pour fournir les électrons) Ions froids Electrons chauds Bouteille magnétique Pour le confinement longitudinal C’est le gradient de champ qui permet le confinement Photo de profil du plasma On retrouve la forme hexagonale de l’hexapôle qui assure le confinement radial du plasma Champ magnétique dans l’axe Rapport mirroir=Bmin/Bmax 13 uA 14 uA Courants extraits environ 10 fois moins importants 15 A)Intérêt du piégeage B)Fonctionnement du piège C)Résultats expérimentaux 16 17 B Uo Penning trap DC electric + DC magnetic fields V(t) Paul trap DC + RF electric fields 18 TSR Heidelberg 19 20 Résonateur à particules Résonateur optique L L f 4 Principe physique: Optique des photons et l’optique des ions sont équivalentes Ek, q V L f 4 V Ek Vmax q Piégeage de faisceaux d’ions lent avec des champs électrostatiques 21 EST CE QUE CELA FONCTIONNE VRAIMENT COMME UN RESONATEUR OPTIQUE Vz (fait varier la longueur focale) Miroir gauche du piège f Miroir sphérique électrostatique= barrière de potentiel + lentille Einzel 22 Focalisation du faisceau d’ions en fonction de la valeur de la haute tension appliquée HT Potentiel 2D 23 Région sans champ Miroir d’entrée 407 mm Miroir de sortie D. Zajfman et al. Phys. Rev. A pp. 1577-1580 55 (1997) 2D Potential view [SIMION] 24 Hacheur de faisceau Interrupteurs HT du piège Pickup 25 • Pas de champ magnétique • • • • • • PICKUP Pas de limite de masse Large région sans champ Facile à utiliser Source d’ions externe Détection des ions facile Grande stabilité (V1 , V2 , V3 , V4)= (4.5 , 4.8 , 3.2 , 1.6) kV V1 V2 V3 V1 V2 V3 Ampli. OSCILLOSCOPE Vz Vz tension de focalisation Vz Temps de vie de plusieurs centaines de millisecondes pour des ions multichargés d’une énergie cinétique de 4.2q keV sous 10-10 mbar 26 27 Vanne fermée 8x10-11 mbar Vanne ouverte 5x10-10 mbar Source ON 4x10-9 mbar 28 6.5 kV 0V dT/dE<0 4.3 kV 0V dT/dE>0 T: oscillation half period E: kinetical energy 29 X T Oscillation longitudinale T’ Oscillation Transversale 30 Deux fréquences • une rapide • l’autre lente 31 Piège du LCAM (Orsay) MCP+Ligne à retard Neutres sortant du piège Enérgie 2.5 kV Thèse V. Lepère LCAM 2006 32 L f 4 1 Ar11+ with V1=4575V Ar12+ with V1=4550V Simulation Relative Trapping Time 0,8 f=+ 0,6 f=L/4 0,4 0,2 0 2600 3100 3600 Vz (V) 4100 4600 33 34 RF 20V 11+ Ar 35 Temps de piégeage (ms) 50 40 30 20 10 865 870 875 880 885 890 36 Radiofréquence (kHz) Faisceau d’ions Ar 10+ à 4.2 keV en utilisant une RF 30 ms 14 ms 0.9 ms 37 1 Théorie σnv n: densité gaz résiduel ExpérienceV: vitesse des ions Weinberg et al. 1998 PRA 57 pp. 4452 38 39 40 41 42 43 Systèmes complexes Dépendant de plusieurs paramètres Extrême sensibilité aux conditions initiales Lois simples mais comportement imprévisibles Etat du système représenté à chaque instant par un point dans cet espace Courbe qui correspond à la trajectoire de ce point Ce point est attiré par une courbe limite Attracteur étranges avec symétrie interne 44 45 46 815 Frequence (kHz) 810 84Kr14+ average 805 86Kr14+ average 800 83Kr14+ average 795 82Kr14+ average 790 785 3950 3970 3990 4010 4030 4050 Vz (V) 47 –A)Présentation de cas pertinents –B)Etat d’avancement de la mesure 48 Photomultiplicateur Filtre MSA PMT Ampli PC Analyseur Multi-échelles Lentille SPECTRE 49 Faisceau d’ions Ar9+ Faisceau d’ions Ar14+ Transition (M1) 9.32 +-0.12 ms 553.3 nm LLNL EBIT 2000 Faisceau d’ions Ar13+ (Transition M1) 15.0 +-0.7 ms 594 nm Oxford EBIT 1998 Transition (M1) 9.70 +-0.15 ms 50 441.2 nm LLNL EBIT 2000 Temps de vie des métastables Temps de vie des Ions dans le piège Temps de vie mesuré avec le PMT 51 Métastable s Ar9+ Ar13+ AR14+ Durée Temps de courant de vie piégeage (uA) (ms) (ms) 3,6 9,32 30,5 0,1 9,7 0,4 0 15 0 Il faudra utiliser l’afterglow pour augmenter l’intensité des courants produits 52 53 Production d’ions très chargés Source ECR SIMPA à 14kV Source ECR SIMPA à 4.2 kV Piège à ions électrostatique Piégeage d’ions très chargés (plusieurs ms) Mode de synchronisation Mode de diffusion Ajout d’un champ RF Méta-oscillations Spectromètre de masse Mesure de durée de vie Etude de cas pertinents Premiers essais 54 Amélioration du vide Rajout du Spectromètre ionique Mesure de durée de vie Refroidissement résistif 55 Laboratoire Kastler Brossel Dina Attia Paul Indelicato Directeur de thèse Csilla Szabo Post-doc depuis oct. 2006 Sergio Do Carmo Visiteur en juin-juil. 2007 Collaborations Institut des Nanosciences de Paris Equipe de J-P Rozet et D. Vernhet Weizmann Institute of Science Equipe de D. Zajfman 56
