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Soutenance de thèse de
Directeur de thèse: Paul INDELICATOLaboratoire Kastler-Brossel
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Spectroscopie X de la source SIMPA Piégeage d’ions très chargés Objectif : mesure de durée de vie
Piégeage de molécules monochargées Système d’imagerie pour l’étude de la cinématique transversale des ions
Lamb shift 1s dans les ions lourds à 1 électron
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• 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
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A) Intérêt des ions très chargésB) ApplicationsC) Objectifs de nos expériences
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+Z
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1- Ils sont présents partoutPlasma astrophysique: Vent solaire, Couronne solairePlasma 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)
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Phys. Rev. Lett. 89, 281101 (2002)Determination of Hyperfine-Induced Transition Rates from Observations
of a Planetary Nebula
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NanotechnologiesApplication à la gravureObjectif : stocker plus d’informations
• Standards pour les rayons X• Diagnostic de plasma• Ion Beam Therapy
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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
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A) Principe de fonctionnementB) Performances
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Extraction des ions de la sourceSelection sur le rapport q/m
Centrage et hâchage du faisceau d’ions
Piégeage du paquet d’ions
Focalisation du faisceau d’ions
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1 à 400 W
quelques dizaines de keV
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Photo de profil du plasmaOn retrouve la forme hexagonale
de l’hexapôle qui assure le confinementradial du plasma
Surface de résonance Ions piégés par la charge d’espace des électrons Gaz support (pour fournir les électrons) Ions froids Electrons chauds
Champ magnétique dans l’axeRapport mirroir=Bmin/Bmax
Bouteille magnétiquePour le confinement longitudinalC’est le gradient de champ qui permet le confinement
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uA
15
uA
Courants extraitsenviron 10 fois
moins importants
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A)Intérêt du piégeageB)Fonctionnement du piègeC)Résultats expérimentaux
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B
Uo V(t)
Penning trapDC electric + DC magnetic fields
Paul trapDC + RF electric fields
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TSR Heidelberg
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Résonateur optique Résonateur à particules
Piégeage de faisceaux d’ions lent avec des champs électrostatiques
V V
f4
L
L
maxk V
q
E f
4
L
Ek, qPrincipe physique:
Optique des photons et
l’optique des ions sont
équivalentes
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EST CE QUE CELA FONCTIONNE VRAIMENT COMME UN RESONATEUR OPTIQUE
f
Vz (fait varier la longueur focale)
Miroir gauche du piège
Miroir sphérique électrostatique=barrière de potentiel + lentille Einzel
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HT
Potentiel 2D
Focalisation du faisceaud’ions en fonction de la valeur de la haute tension appliquée
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2D Potential view[SIMION]
Région sans champ
Miroir de sortieMiroir d’entrée 407 mm
D. Zajfman et al. Phys. Rev. A pp. 1577-1580 55 (1997)
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Hacheur defaisceau
PickupInterrupteursHT du piège
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V1V2V3
V1V2V3
Vz 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
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28
Vanne fermée8x10-11 mbar
Vanne ouverte5x10-10 mbar
Source ON4x10-9 mbar
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0 V
4.3 kV
0 V
6.5 kV
dT/dE>0
dT/dE<0
T: oscillation half periodE: kinetical energy
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XT Oscillation longitudinale
T’ OscillationTransversale
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Deux fréquences• une rapide• l’autre lente
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Thèse V. Lepère LCAM2006
Piège du LCAM (Orsay)MCP+Ligne à retardNeutres sortant du piègeEnérgie 2.5 kV
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f4
L
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
2600 3100 3600 4100 4600Vz (V)
Rela
tive T
rap
pin
g T
ime
Ar11+ with V1=4575V
Ar12+ with V1=4550V
Simulation
f=+ f=L/4
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Ar11+
RF
20V
36Radiofréquence (kHz) 865 870 875 880 885 890
10
20
30
40
50
Tem
ps d
e pi
égea
ge (
ms)
37
30 ms
14 ms
0.9 ms
Faisceau d’ions Ar 10+ à 4.2 keV en utilisant une RF
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Théorie
Expérienceσnv1
Weinberg et al. 1998 PRA 57 pp. 4452
n: densité gaz résiduelV: vitesse des ions
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40
41
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Systèmes complexesDépendant de plusieurs paramètresExtrême sensibilité aux conditions initialesLois simples mais comportement imprévisibles
Etat du système représenté à chaque instant par un point dans cet espaceCourbe qui correspond à la trajectoire de ce point Ce point est attiré par une courbe limiteAttracteur étranges avec symétrie interne
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46
47
785
790
795
800
805
810
815
3950 3970 3990 4010 4030 4050
Vz (V)
Fre
qu
en
ce (
kH
z)
84Kr14+average
86Kr14+average
83Kr14+average
82Kr14+average
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–A)Présentation de cas pertinents
–B)Etat d’avancement de la mesure
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PMT MSA PCPhotomultiplicateur
Filtre
Lentille
SPECTRE
AnalyseurMulti-échelles
Ampli
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Faisceau d’ions Ar13+
Faisceau d’ions Ar14+
(Transition M1) 15.0 +-0.7 ms594 nm
Oxford EBIT 1998Transition (M1) 9.70 +-0.15 ms
441.2 nmLLNL EBIT 2000
Faisceau d’ions Ar9+
Transition (M1) 9.32 +-0.12 ms553.3 nm
LLNL EBIT 2000
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Temps de vie desmétastables
Temps de vie mesuréavec le PMT
Temps de vie desIons dans le piège
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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+ 0 15 0
Il faudra utiliser l’afterglow pour augmenter l’intensitédes courants produits
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Production d’ions très chargés Source ECR SIMPA à 14kV
Source ECR SIMPA à 4.2 kV
Piège à ions électrostatiquePiégeage d’ions très chargés (plusieurs ms)Mode de synchronisationMode de diffusionAjout d’un champ RFMéta-oscillationsSpectromètre de masse
Mesure de durée de vieEtude de cas pertinents
Premiers essais
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Amélioration du vide Rajout du Spectromètre ioniqueMesure de durée de vieRefroidissement résistif
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Laboratoire Kastler BrosselDina Attia Paul Indelicato Directeur de thèseCsilla Szabo Post-doc depuis oct. 2006Sergio Do Carmo Visiteur en juin-juil. 2007
Collaborations Institut des Nanosciences de ParisEquipe de J-P Rozet et D. Vernhet
Weizmann Institute of ScienceEquipe de D. Zajfman