Mesure de la fonction de distribution en vitesse d`atomes et d`ions

Stéphane Mazouffre
Laboratoire d’Aérothermique
Atelier « Utilisation des diodes laser » Col de Porte – Sarcenas, 16-18 Mars 2005
Mesure de la fonction de distribution en vitesse
d'atomes et d'ions dans un milieu plasma.

Sommaire
- Décalage et élargissement Doppler
- Spectroscopie de Fluorescence Induite par Laser
- Banc optique et branche de détection
- Fonction de distribution en vitesse
-Ecoulement plasma supersonique
-Décharge RF à basse pression
-Propulseur à effet Hall
- Mesures résolues en temps : comptage de photons
Atelier « Utilisation des diodes laser » Col de Porte – Sarcenas, 16-18 Mars 2005
Mesure de la fonction de distribution en vitesse
d'atomes et d'ions dans un milieu plasma.

Décalage et élargissement Doppler
Atelier « Utilisation des diodes laser »Mesure de la fonction de distribution en vitesse d'atomes et d'ions dans un milieu plasma.
atome au repos : transition à la fréquence ν
0
atome animé d’une vitesse v: décalage Doppler
- raie d’émission : ν
e
= ν
0
+ (k.v)/2π
- raie d’absorption : ν
a
= ν
0
+ (k.v)/2π
si ∆ν > 0 : ket vdans le même sens (décalage vers le bleu)
si ∆ν < 0 : ket ven sens opposé (décalage vers le rouge)
Le décalage Doppler permet de déterminer la projection du vecteur vitesse dans la direction k
atome se déplaçant suivant zet k={0,0,k
z
} : ν
a
= ν
0
(1+v
z
/c)
Par effet Doppler, une distribution maxwellienne en énergie conduit à un profil spectral d’absorption ou d’émission de
forme gaussienne avec une largeur à mi hauteur ∆ν
D
liée à la vitesse d’agitation thermique
M
T
v
c
0
7
th
0
D
1016.72ln4 ν
ν
ν
−
×=×=∆
(T en K et M en uma)
En réalité, convolution avec profil du laser et prise en compte
d’autres types d’élargissement (pression, Stark)
La relation entre νet vest linéaire :
le profil d’absorption (ou de fluorescence) correspond à la fonction
de distribution en vitesse
si équilibre thermodynamique →FDV est gaussienne

Spectroscopie de Fluorescence Induite par Laser
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Principe de la spectroscopie de FIL
Le signal de fluorescence dépend :
- de la durée de vie des niveaux
- de la section efficace d’absorption
- de la population N
i
(0)
- du profil d’absorption (et du profil laser)
- du système optique de détection
le transfert de population d’un niveau i > vers un niveau j > réalisé
par pompage laser (absorption) est observé en mesurant le flux de
photons de fluorescence lors de la déexcitation du niveau j > .
η
πν
ν
ν
στν T
h
PP
NAKS
ijjk
4
V
)()(
)0( )(
Labs
ijfluo
Ω
⊗
=
Il faut éviter de saturer la transition (absorption non-linéaire) pour ne pas déformer le profil spectral
Avec une diode laser monomode : ∆ν
L
<< ∆ν
D
→on mesure directement la FDV
Si le flux de photons de fluorescence est faible, 2 techniques peuvent être utilisées pour améliorer S/B :
* détection synchrone
* comptage de photons
lorsque la longueur d’onde du laser varie autour de la longueur d’onde λ
ij
:
- on mesure le profil P
abs
⊗P
L
- l’aire du profil est proportionnelle à N
i
(0) si la saturation est négligeable
(calibration pour déterminer N
i
de manière absolue)

Banc optique et branche de détection
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- diode laser monomode accordable en fréquence (∆ν = 100 MHz, P = 20 mW)
- référence pour v = 0 : décharge basse pression, lampe, cellule d’absorption (NO2, I2)
- interféromètre de Fabry-Pérot : linéarisation du balayage, détection des sauts de mode
- système de détection synchrone (monochromateur + TPM) : filtrage pour amélioration du S/B
Montage de spectroscopie de FIL
lambdamètre stabilisé (∆ν = 100 MHz)