PRODUCTION DE RAIES SPECTRALES DE He I ET He I1 PAR L'EXCITATION D'ATOMES He+ A C C ~ ~ L ~ ~ R ~ S AU

MOYEN D'UN VAN DE GRAAFF

S. BASHI~IX' ET G. BEXUCHEBIIN, S.J.

DCpartcil~e?rt de Physique, Uninersite' Ln~lnl, Qlie'bec, Qitkbrc

Requ le 4 avril, 1966

Sous avons utilisC un fa iscea~~ de He' accClerCs, frappant ulle cible mince, pour produire des niveaus excites de He I e t He 11. Xous avons observe trois lignes spectrales pour He 1 et six lignes pour I-Ie 11. 'I'rois des lig~les de He I1 montrent une variation d'intensite sing~~libre.

ABSTRACT

We have ~ ~ s e d the fast beam-foil technique to excite various levels in Ile I and He 11, and have observed three spectral lines in He I and six in He I t . Three of the He I 1 lines exhibit peculiar intensity patterns.

Sous avons utilisk la technique du faisceau de particules accklkrkes frappant une cible mince (Kay 1963, 1965; Bashkin 1963; Bashkin e t i\Ieinel 1964; Bashlcin et al. 1 9 6 4 ~ ; Bashltin, I-Ieroux, et Shaw 19642,; Berkner et al. 1963; JIalmberg, Bashltin, e t Tilford 1965; Bashltin et al. 1965; Goodinan e t Donahue 1066; Bashkin e t i\/Ialmberg 1966; Bickel e t Bashkin 1966) pour produire des raies spectrales d'hklium neutre e t d'hkliun~ simpleinent ionisk. Le faisceau d'ioils 4He+, variable B volontk de 1 B 10 microamp d'intensitk e t de 0.7 B 1.0 Ale\' d'knergie, est obtenu d'un accklkrateur Van de Graaff. Les ions traversent une mince cible de carbone de S =t 3 pg/crn2 d'kpaisseur dans une enceinte oh r6gne un bon vide (pression 10-5 Torr). Les ions sont ainsi excitks par la cible. Le faisceau d'atomes devenu luinineux ktait visible B travers une plaque de quartz. I1 a kt6 observk dans une direction perpendiculaire au faisceau, au moyen d'un spectrographe rapide (f/1.2) ayant une dispersion de 120 .A/mm au premier ordre e t une portke de 4 300 A B 6 SO0 A. La lumiPre du faisceau d'atomes excitks est concentrke sur la feilte du spectrographe par une lentille de verre. Le faisceau d 'aton~es e t la fente du spectrographe sont parallPles, ce qui a pour effet de produire un spectre de lignes, qui, d'une part, reprksente les espPces excitkes prksentes dans le faisceau d'atomes, e t d'autre part, reprksente des images de la fente e t ainsi de la distribution de la 1unliPre issue de chaque partie du faisceau d'atomes.

Les spectres ont kt6 photographiks sur des plaques Eastman 103a-f. Pour calibrer le spectrographe on a photographic? le spectre connu du Hg. Cependant, les lignes de He I e t de I-Ie I1 ktant bien distinctes, on peut les identifier sans difficultk.

I'ne vingtaine de plaques pour diffkrentes energies et diffkrentes charges totales d'ions ont kt6 rkussies. Un rksultat t>,pique est indiquk dans la figure 1.

'.\dresie pernlanente: Department of Physics, University of Arizona, Tucson, Xr i~ooa . Subventionnk par I'octroi SsG-(j2S de la NASA. Canacl~an Journal of P11)slcs. Volume 4 4 (1966)

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FIG. 1. Les lignes spectrales de He I et He 11. Le trait horizontal indiq~re la position de la mince cibie de carbone. Les lignes verticales e t i n c l i n k vie~lnent de He I e t He 11. Nous avons not6 In long~~eur d'onde de chaque ligne spcctrale ct le degrC d'ionisation de I'atome qui a produit cette ligne.

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L'inclinaison des raies vers le rouge s'explique par l'effet Doppler (Bashkin et al. 1 9 6 4 ~ ) . Les raies non-surexposkes laissent voir une diminution d'intensite A mesure que les atoines slCloignent de la cible. On pourrait Ctudier cette diminution dlintensitC pour dCterminer la vie moyenne de chacun des niveaus d'knergie (Bashkin 1963; Bashkin et al. 1964a; Bashltin, Heroux, et Shan- 19640 ; Berkner et al. 1965; Kay 1965; Goodman et Donahue 196G; Bashlrin et hIalmberg 1966; Bickel et Bashkin 1966).

Nous avons indiquC sur la figure 1 les longueurs d'onde expCrimentales. Le tableau I nous donne la liste des transitions correspondant aus diffkrentes

TABLEAU I

Transitions pour les atomes He I and He I 1

A (A) Transitions Remarques

(a ) He I1 10 124 6 500 5 412

(b) I ie I 7 065 5 876 4 713

Longueur d'onde trop longue pour I'appareil Ligne trks forte Ligne forte, laisse voir une interference Ligne faible, laisse voir une interfkrence La plus faible ligne, laisse voir une interference Longueur d'onde trop courte pour l'appareil

La plus intense de toutes les lignes Vue en second ordre, laisse voir une ligne trks faible d'inter-

ference

Longueur d'onde trop lo~lgue pour l'appareil La plus intense des lignes de He I Invisible Intensite moyenne Longueur d'onde trop courte pour l'appareil

7 281 2p 'Po-3s IS Longueur d'onde trop longue pour I'appareil 6 67s 2p 'P"3d 'LI La plus faible des lignes de He I 5 048 2p 'Po-4s ' S Invisible 4 922 2p 'P"4d 'D Invisible 4 438 2 p 'po-js 1s Invisible

raies spectrales. Nous discuterons sCparCment les rCsultats de He I1 (dont la structure ressemble A H I) e t de He I .

RBSULT~TS H e 11

D'apr6s le tableau I , il est kvident que ilous avoils obtenu dans I-Ie I1 tous les niveaux d'escitation qui peuvent &tre CtudiCs par notre spectrographe. La raie X 4 686 A (3 2D-4 2F0 etc.) est la plus intense; ceci tient sans doute du fait que le niveau 4 est peuplC directernent e t aussi par cascade. L'intensitC relative~nent faible de la raie X 3 203 (3 2D-5 2F0) captCe en deuxi6me ordre, est probableinent due en grande partie A l'absorption de cette lumi?re ultra- violette par le verre de la lentille devant le spectrographe.

I1 est interessant d'observer que les raies spectrales 4 T o - n Y G (72 = 5) deviennent de plus en plus faibles A mesure qu'auginente la valeur de n. L'intensitk de chaque ligne dans le spectre d'un point donne sur le faisceau

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d ' a to~nes est proportionnelle au produit de la population e t du coefficient A d'Einstein pour le niveau supkrieur. Ainsi A pour n = 6 est B peu pr&s 3.3 fois superieur B A pour n = S (Condon e t Shortley 1935). De sorte qu'avec des populations initialement &ales sur les niveaux n = 6 e t n = 8, X G 560 devrait @tre 3.3 fois plus intense que X 4 859. Les plaques demontrent que la difference entre les deux intensitks est beaucoup plus grande que ce rapport 3.3, lni.me en tenant conlpte d e la sensibilitk differente des plaques pour ces deux raies. Nous concluons que la population d'un niveau diminue quand n augmente.

On peut voir sur la figure 1 un effet inattendu sur les raies X 4 541, X 4 839 e t X 5 412 dont les origines sont respective~nent 4 To-9 2G etc., 4 ?FO-S ?G etc., e t 4 2FD-7 2G. Ce qui est reinarquable c'est qu'une partie centrale de ces raies est sombre. I1 seinble que les ions excitks on t cessk de rayonner pendant un bref instant. A cause de la vitesse des ions, nous voyons cet arr@t comme une interruption dans les lignes du spectre. Apres cet intervalle les ions on t recoinmenck B rayonner. I1 y a plusieurs raisons de croire que ce phknom6ne est significatif. Les raisons sont les suivantes:

1. X 4 472 trss seinblable A X 4 541 quan t B sa longueur d'onde e t quan t B sont intensitk lumineuse, ne montre pas un tel phknomPne. I1 nous semble donc que ce phknomene ne soit pas un effet experimental.

2. La longueur de la partie sombre n'est pas exacternent la in&me pour chacune des trois raies.

3. Le phknom&ne ne se produit que sur les raies de He 11. Des trois raies de I-Ie I1 qui ne montrent pas une telle variation d'intensitk, deux raies (X 4 686 e t X 6 560) sont surexposkes e t ne permettent pas une telle observa- tion. Sur une plaque obtenue apres une exposition trss b r h e , la raie I-Ie I1 3 203 (vue en deuxi6me ordre) manifestertait un tel phi.nom$ne, mais ici le fait est beaucoup moins kvident que pour les trois raies dont nous avons parlk ci-dessus.

D'une certaine manigre, l'effet enregistri. ici ressemble A celui que Bashkin et al. (1965) ont dkcrit dans leur article sur l'interfkrence due A l'effet Stark, entre les niveaux dkgknkrks de l 'hydroghe. Dans cet article, les auteurs ont dkmontrk qu'un faible champ klectrostatique externe melange de mani&re pkriodique les niveaux di.gknkrks (par exemple S e t P, ou P e t D, pour chaque valeur de n) de telle sorte que la lumi6re kmise dans la skrie de Balnler oscille en intensitk. Ici les niveaux de He I1 subissent le m2me sort e t il est donc possible qu'un mklange semblable puisse exister pour He I1 en prksence d 'un faible champ. Nous avanGons l'hypothese que le chainp klectrique nkcessaire existe dans le faisceau lui-m@me: puisqu'il contient des klectrons e t des ions positifs rapprochks les uns des autres. E n effet, quand nous avons fait les expkriences prkliminaires sur H , sans champ externe (Bashltin 1966), les rksultats ktaient semblables B ceux que nous avons obtenus sur I-Ie 11.

Bashltiil et al. (1965) on t d i t ne pas avoir vu le phknoil-iiine d'interfkrence sur les raies d'I-Ie. Cependant Bashliin (1966) a rkexamink les plaques originales e t il a conclu que toutes les raies de He I I obtenues ktaien t beaucoup trop exposkes

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pour permettre I'identification d'un tel phCnomPne. Actuellement, Bashkin e t ses coll6gues font une nouvelle expbrience sur cet aspect des raies I-Ie 11.

He I I1 existe une diffkrence intkressante entre I-le 1 e t I-Ie 11. Les particules inci-

dentes frnppant la cible solit I-Ie+. Donc I'excitation des niveaux He I1 ne demande que de communiquer de I'bnergie 5 I'klectron pkriphkrique. Cependant I'excitation de I-Ie I exige l'acquisition d'un klectron par I'ion incident He+ dont la vitesse est environ 2q& de la vitesse de la lumi6re. IIalgrC cette vitesse, i l y a ainsi production d'atomes neutres de I-Ie.

La raie de I-Ie I la plus intense est X 5 876 (2 3P0-3 3D). La raie X 4 472 (2 3P0-4 3D) est la deuxiPme en intensitb. I1 n'y a pas de trace de X 4 713 ("Po-4 :*S). Peut-&tre cela signifie-t-il qu'on n'excite pas les niveaux S avec une aussi grande probabilitk que les niveaux D.

L'intensitk tr6s faible de X G 678 (2 'Po-3 ID) peut simplement indiquer un dbcroissement gknkral de population des niveaux quaiid n augmente. C'est peut-2tre aussi la raison de I'absence de X 5 047 (2 'Po-4 IS), X 4 922 (2 'Po- 4 ID), e t X 4 43s (2 'Po-5 IS). Les autres raies de I-Ie I se trouvent en deliors des limites de notre appareil.

ItEi\~lEIiCIEhlESTS

Sous remercions le Professeur A. B. 1Ieinel (Sten-ard Observatory, Univer- sity of AArizona), pour le pr&t du spectrographe, e t Ie Professeur \iV. S. Bickel (Ilepartment of Physics, University of Arizona) pour la dbterlnination de sa courbe de dispersion. L'un de nous (S. B.) veut remercier le I'rofesseur L. I<eru in d'avoir pu travailler pendant un mois aux laboratoires de 1'Universitk Lavnl. S o u s remercions aussi le Conseil Kational de Recherches pour I'octroi C S R 137'-45 qui a rendu possible cette recherche.

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