Directeur de thèse: Paul INDELICATO Laboratoire Kastler-Brossel

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1 Directeur de thèse: Paul INDELICATO Laboratoire Kastler-Brossel
Piégeage d'ions très chargés pour la mesure de durée de vie Soutenance de thèse de Directeur de thèse: Paul INDELICATO Laboratoire Kastler-Brossel Dina ATTIA

2 Laboratoire Kastler Brossel Paul Indelicato
Mon travail de thèse Institut Weizmann Daniel Zajfman  Piégeage de molécules monochargées Système d’imagerie pour l’étude de la cinématique transversale des ions Laboratoire Kastler Brossel Paul Indelicato  Spectroscopie X de la source SIMPA Piégeage d’ions très chargés  Objectif : mesure de durée de vie GSI- Darmstadt Heinrich Beyer - Thomas Stölker  Lamb shift 1s dans les ions lourds à 1 électron

3 Plan de l'exposé 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 V-Perspectives et Conclusion

4 I Introduction A) Intérêt des ions très chargés B) Applications
C) Objectifs de nos expériences

5 I- Les ions très chargés
+Z Atome neutre Z électrons Ion héliumoïde chargé positivement

6 I-A) Intérêt des ions très chargés
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)

7 Determination of Hyperfine-Induced Transition Rates from Observations
I-B) Applications Astrophysique Soleil Nébuleuse Phys. Rev. Lett. 89, (2002) Determination of Hyperfine-Induced Transition Rates from Observations of a Planetary Nebula Constellation

8 I-B) Applications Interaction Ion surface Mais aussi ...
Nanotechnologies Application à la gravure Objectif : stocker plus d’informations Mais aussi ... Standards pour les rayons X Diagnostic de plasma Ion Beam Therapy

9 Production des ions très chargés
I-C)Nos objectifs 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 Production des ions très chargés 2 Piégeage des ions très chargés 3 Detection des photons émis

10 II La source d'ions SIMPA A) Principe de fonctionnement
B) Performances

11 Dispositif expérimental 4.2 kV ou 14 kV
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

12 Production des ions très chargés
1 à 400 W quelques dizaines de keV

13 Confinement du plasma Champ magnétique dans l’axe
 Surface de résonance Ions piégés par la charge d’espace des électrons Gaz support (pour fournir les électrons) Ions froids Electrons chauds Photo de profil du plasma On retrouve la forme hexagonale de l’hexapôle qui assure le confinement radial du plasma Bouteille magnétique Pour le confinement longitudinal C’est le gradient de champ qui permet le confinement Champ magnétique dans l’axe Rapport mirroir=Bmin/Bmax

14 Performance en extraction
extraction d'ions Kr à 14 kV uA

15 Performance en extraction
extraction d'ions Kr à 4.2 kV Courants extraits environ 10 fois moins importants uA

16 Le piège à faisceau d'ions
III Le piège à faisceau d'ions électrostatique A)Intérêt du piégeage B)Fonctionnement du piège C)Résultats expérimentaux

17 III-A) Intérêt du piégeage
Le système est isolé Meilleur contrôle du système Les temps d'observation sont plus longs Mesure de durée de vie possible On peut refroidir les ions

18 Les différents types de piège Energie cinétique : eV
B Energie cinétique : eV V(t) nuage d'ions Uo petits pièges qq centimètres Penning trap DC electric + DC magnetic fields Paul trap DC + RF electric fields

19 Grands anneaux de stockage
Energie cinétique : GeV Faisceau d'ions TSR Heidelberg qq centaines de m^2

20 keV traps Conetrap EBIT Kingdon trap

21 Optique des photons et l’optique des ions sont équivalentes
Piége à faisceau d'ions électrostatique Résonateur optique Résonateur à particules Fabry Pérot Principe physique: Optique des photons et l’optique des ions sont équivalentes Ek, q V V L Piégeage de faisceaux d’ions lent avec des champs électrostatiques

22 Piége à faisceau d'ions électrostatique
Longueur focal du piège 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

23 Lentilles Electrostatiques
HT Potentiel 2D Focalisation du faisceau d’ions en fonction de la valeur de la haute tension appliquée

24 Piége à faisceau d'ions électrostatique
Région sans champ Miroir d’entrée Miroir de sortie 407 mm D. Zajfman et al. Phys. Rev. A pp (1997) 2D Potential view [SIMION]

25 Hacheur de faisceau Interrupteurs HT du piège Pickup

26 Schéma du piége électrostatique
V1 V2 V3 Vz Ampli. PICKUP OSCILLOSCOPE Pas de champ magnétique Pas de limite de masse Large région sans champ Facile à utiliser Source d’ions externe Détection des ions facile Grande stabilité Temps de vie de plusieurs centaines de millisecondes pour des ions multichargés d’une énergie cinétique de 4.2q keV sous mbar (V1 , V2 , V3 , V4)= (4.5 , 4.8 , 3.2 , 1.6) kV Vz tension de focalisation

27 La chambre du piège 4.2 kV Hublot Jauge Sublimateur de titane Pompe ionique

28 Vide dans la chambre du piège
Avant étuvage 1x10^-8 mbar Après sublimation 8x10^-11 mbar Après étuvage 72h degrés 24h après étuvage 7x10^-10 mbar Vanne fermée 8x10-11 mbar Vanne ouverte 5x10-10 mbar Source ON 4x10-9 mbar

29 T: oscillation half period
Mouvement longitudinal 2 modes de fonctionnement 0 V 6.5 kV Diffusion dT/dE<0 0 V 4.3 kV Synchronisation dT/dE>0 T: oscillation half period E: kinetical energy

30 Mouvement transversal
Oscillations Betatron T Oscillation longitudinale X T’ Oscillation Transversale simulation

31 Oscillations Betatron
simulation Deux fréquences une rapide l’autre lente Ar+ à 4.2 keV avec différentes conditions initiales

32 Oscillations Betatron
Expérience Piège du LCAM (Orsay) MCP+Ligne à retard Neutres sortant du piège Enérgie 2.5 kV Thèse V. Lepère LCAM 2006

33 Région de stabilité du piège
Critére de stabilité simulation Expérience f=+ f=L/4

34 Fréquence d'oscillation
Expérience

35 Ajout d'un champ radiofréquence
Expérience RF 20V Sans RF Avec RF Ar11+

36 Ajout d'un champ radiofréquence
Expérience 8+ Ar 50 40 Temps de piégeage (ms) 30 20 10 865 870 875 880 885 890 Radiofréquence (kHz)

37 Faisceau d’ions Ar 10+ à 4.2 keV en utilisant une RF
Effet du vide Expérience Faisceau d’ions Ar à 4.2 keV en utilisant une RF 30 ms 14 ms 0.9 ms

38 Processus de perte d'ions
Théorie Expérience Temps de vie liée à la capture d'électron Weinberg et al PRA 57 pp. 4452 n: densité gaz résiduel V: vitesse des ions Capture d'électron Diffusion ion-ion Diffusion ion-gaz résiduel

39 Méta-oscillations Sans RF Ar8+ Ar8+

40 Méta-oscillations Sans RF Ar8+

41 Méta-oscillations Ar8+ Avec RF

42 Méta-oscillations Ar9+ Sans RF

43 Grande dispersion en vitesse?
Interprétations? Interaction ion-ion? Oscillation Betatron? Mouvement chaotique? Grande dispersion en vitesse?

44 Mouvement chaotique Théorie du chaos Espace des phases
Systèmes complexes Dépendant de plusieurs paramètres Extrême sensibilité aux conditions initiales Lois simples mais comportement imprévisibles Espace des phases 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

45 simulations pour Ar8+ à 4.2qkeV
Espace des phases simulations pour Ar8+ à 4.2qkeV

46 Sections de Poincaré Ar10+ Simulations

47 Spectromètre de masse Expérience

48 IV Mesure de durée de vie d'états métastables
A)Présentation de cas pertinents B)Etat d’avancement de la mesure

49 Mesure de Durée de Vie Photomultiplicateur MSA PC PMT Filtre Ampli
Analyseur Multi-échelles Lentille SPECTRE

50 Cas pertinents Faisceau d’ions Ar9+ Faisceau d’ions Ar14+
Transition (M1) ms 553.3 nm LLNL EBIT 2000 Faisceau d’ions Ar13+ (Transition M1) ms 594 nm Oxford EBIT 1998 Transition (M1) ms 441.2 nm LLNL EBIT 2000

51 Analyse... Solution: Spectromètre ionique Temps de vie des
métastables Temps de vie mesuré avec le PMT Temps de vie des Ions dans le piège Solution: Spectromètre ionique

52 Il faudra utiliser l’afterglow pour augmenter l’intensité
Etat des lieux... 4.2 kV Métastables courant (uA) Durée de vie (ms) Temps de piégeage (ms) Ar9+ 3,6 9,32 30,5 Ar13+ 0,1 9,7 0,4 AR14+ 15 Il faudra utiliser l’afterglow pour augmenter l’intensité des courants produits

53 Premiers spectres

54 Résumé Production d’ions très chargés Source ECR SIMPA à 14kV
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

55 Conclusion et Perspectives
Amélioration du vide Rajout du Spectromètre ionique Mesure de durée de vie Refroidissement résistif

56 Equipes impliquées 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