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Accueil du site > Equipes de recherche > Métrologie des systèmes simples et tests fondamentaux

Actualité :

Piège électrostatique pour faisceaux d’ions multichargés

par Paul INDELICATO - 26 mai 2009

Alexandre Vallete, Dina Attia, Scilla Szabo, Sergio Carmo, Paul Indelicato

Les lois de l’électrostatique interdisent de piéger des particules chargées en trois dimensions. Ceci est lié au fait que le champ électrique a une divergence nulle, et que donc les lignes de champs ne peuvent converger en un point. On a donc utilisé d’autres techniques dans le passé : le piège de Paul utilise un champ quadripolaire qui ne peut confiner que dans deux direction, mais en le modulant au cours du temps, on peut malgré tout confiner des particules pendant de longues périodes. Une autre technique, celle du piège de Penning, initialement proposé par H. Dehmelt, combine un champ quadripolaire électrostatique et un champ magnétique uniforme. Il est cependant possible d’utiliser un système complètement électrostatique, si on part d’un faisceau d’ion. D. Zajfmann (Institut Weizmann) et son équipe ont proposé un système d’électrodes qui réalise pour un faisceau d’ions, des conditions identiques à un résonateur de Fabry-Pérot pour la lumière. Un faisceau peut rester confiné entre deux miroirs électrostatiques sphériques si leurs distances focales sont correctement choisies. Jusqu’à présent ce piège a été utilisé pour étudier des ions faiblement chargés (Xe $^{2+}$ ) ou des macromolécules à l’Institut Weizmann ou au LCAM à Orsay. Notre équipe a installé sur la ligne de faisceau de la source SIMPA en novembre 2006 un piège du même type pour étudier des ions très chargés. Depuis avril nous avons piégé des ions d’oxygène et d’argon jusqu’à l’argon 13+.

Principes de fonctionnement


Schéma de principe du piège

Le piège comporte 2 jeux de 5 électrodes, qui sont des disques percés au centre. Les deux électrodes les plus externes forment une barrière de potentiel, qui sert de mirroir. Les trois les plus internes forment une lentille électrostatique de Enzel. L’ensemble des cinq électrodes forme l’équivalent d’un miroir sphériques.


Assemblage du piège

Selon le réglage des tensions, les ions dans le pièges peuvent être uniformément répartis, ou rester groupés en un paquet.


mode faisceau et mode en paquets

Ce système se comporte comme un ensemble de deux miroirs sphériques

La condition de stabilité en optique est $\frac{L}{4}<f<\infty$ ( $f$ : distance focale). Pour les ions $f$ dépend de la tension d’accélération. Il faut rajouter la condition supplémentaire $E_k\leq qV$ , ou $q$ est la charge de l’ion, $E_k$ son énergie cinétique, et $V$ la tension d’accélération.

Détection des ions


Électrode de détection segmenté

Les ions sont détecté par deux électrodes situées dans la zone hors champ. La première située au milieu du piège est un anneau d’acier inoxydable. Les ions, lorsqu’il sont en paquets, forme un courant variable qui correspond au primaire d’un transformateur. L’anneau constitue le secondaire. Le courant induit est amplifié et analysé avec un oscilloscope numérique. Un deuxième anneau, découpé en segments, permet d’observer 4 tensions distinctes, et donc de voir si le faisceau est centré.

Observation du piégeage

Nous avons pu piéger des ions de toute nature depuis l’oxygène 4+ jusqu’au Xenon 22+, observer le signal des différents isotopes du krypton et du xénon. Un oscilloscope numérique permet d’observer les oscillations des ions dans le piège (trace jaune), lorsque le piège est en mode « paquets ». La trace verte montre (la même que la jaune mais sur une échelle de temps plus compacte) que les paquets d’ions ont une dynamique complexe, non-encore comprise.


Piegeage d’Argon 8+

Nous avons aussi agi sur les paquets d’ions à l’aide d’une radiofréquence appliquée entre deux des électrodes du piège. Le signal de l’électrode de détection est analysé avec un analyseur de spectre vectoriel. On voit clairement l’apparition de bandes latérales de fréquence lorsque la fréquence appliquée est différente de la fréquence naturelle des paquets d’ions. Nous avons ainsi pu garder des paquets d’ions sur des durée de 30 ms... On voit aussi l’influence de la direction du faisceau incident sur la fréquence...


Observation d’oxygene 4+

Simulation

L’utilisation de programmes de simulation pour faisceau d’ions tel que SIMION™ n’est pas vraiment adaptée pour un piège tel que celui-ci : comme les ions ont des vitesses qui varient beaucoup dans les miroirs, la conservation de l’énergie n’est pas assez bonne:on peut perdre ou gagner 100 eV sur 500µs, avec une valeur de départ de 4200 eV/charge, alors qu’on veut pièger pendant plusieurs dizaines de ms. On perd donc les particules sans savoir si c’est dû aux conditions du piège ou aux erreurs numérique. A. Vallette a développé un programme de type PIC (Particle in Cell) qui permet de s’affranchir de ces difficultés. L’évolution d’un paquet qui se partage en deux est représenté sur le petit film (en test, ne nous en veuillez pas si le player ne fonctionne pas).