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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

5

+Z

6

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

10

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

14

uA

15

uA

Courants extraitsenviron 10 fois

moins importants

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A)Intérêt du piégeageB)Fonctionnement du piègeC)Résultats expérimentaux

17

18

B

Uo V(t)

Penning trapDC electric + DC magnetic fields

Paul trapDC + RF electric fields

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TSR Heidelberg

20

21

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

27

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

34

35

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

39

40

41

42

43

44

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