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

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

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

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

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

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)

Determination of Hyperfine-Induced Transition Rates from Observations I-B) Applications Astrophysique Soleil Nébuleuse Phys. Rev. Lett. 89, 281101 (2002) Determination of Hyperfine-Induced Transition Rates from Observations of a Planetary Nebula Constellation

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

keV traps Conetrap EBIT Kingdon trap

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

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

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

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. 1577-1580 55 (1997) 2D Potential view [SIMION]

Hacheur de faisceau Interrupteurs HT du piège Pickup

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 10-10 mbar (V1 , V2 , V3 , V4)= (4.5 , 4.8 , 3.2 , 1.6) kV Vz tension de focalisation

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

Vide dans la chambre du piège Avant étuvage 1x10^-8 mbar Après sublimation 8x10^-11 mbar Après étuvage 72h - 200 degrés 24h après étuvage 7x10^-10 mbar Vanne fermée 8x10-11 mbar Vanne ouverte 5x10-10 mbar Source ON 4x10-9 mbar

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

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

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

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

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

Fréquence d'oscillation Expérience

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

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)

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

Processus de perte d'ions Théorie Expérience Temps de vie liée à la capture d'électron Weinberg et al. 1998 PRA 57 pp. 4452 n: densité gaz résiduel V: vitesse des ions Capture d'électron Diffusion ion-ion Diffusion ion-gaz résiduel

Méta-oscillations Sans RF Ar8+ Ar8+

Méta-oscillations Sans RF Ar8+

Méta-oscillations Ar8+ Avec RF

Méta-oscillations Ar9+ Sans RF

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

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

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

Sections de Poincaré Ar10+ Simulations

Spectromètre de masse Expérience

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

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

Cas pertinents 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 441.2 nm LLNL EBIT 2000

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

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

Premiers spectres

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

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

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