Soutenance de thèse de Directeur de thèse: Paul INDELICATO Laboratoire Kastler-Brossel

1. 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

2. Laboratoire Kastler Brossel Paul Indelicato •  Spectroscopie X de la source SIMPA • Piégeage d’ions très chargés  Objectif : mesure de durée de vie Institut Weizmann Daniel Zajfman •  Piégeage de molécules monochargées • Système d’imagerie pour l’étude de la cinématique transversale des ions GSI- Darmstadt Heinrich Beyer - Thomas Stölker  Lamb shift 1s dans les ions lourds à 1 électron Mon travail de thèse

3. 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

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

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

6. 3- Augmentation de l’énergie des niveaux atomiques • Effets relativistes visibles • Photons émis dans la gamme • des rayons X (1 à 10 keV) 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

7. 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

8. I-B) Applications Interaction Ion surface Nanotechnologies Application à la gravure Objectif : stocker plus d’informations Mais aussi ... • Standards pour les rayons X • Diagnostic de plasma • Ion Beam Therapy

9. 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

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

11. 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

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

13. Confinement du plasma •  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

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

15. Performance en extraction extraction d'ions Kr à 4.2 kV Courants extraits environ 10 fois moinsimportants uA

16. III Le piège à faisceau d'ions électrostatique • A)Intérêt du piégeage • B)Fonctionnement du piège • C)Résultats expérimentaux

17. 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

18. V(t) Les différents types de piège B Energie cinétique : eV nuage d'ions petits pièges Uo qq centimètres Penning trap DC electric + DC magnetic fields Paul trap DC + RF electric fields

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

20. keV traps Conetrap EBIT Kingdon trap

21. Ek, q Piége à faisceau d'ions électrostatique Résonateur à particules Résonateur optique Fabry Pérot Principe physique: Optique des photons et l’optique des ions sont équivalentes V V L Piégeage de faisceaux d’ions lent avec des champs électrostatiques

22. 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

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

24. 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]

25. Hacheur de faisceau Interrupteurs HT du piège Pickup

26. 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 PICKUP (V1 , V2 , V3 , V4)= (4.5 , 4.8 , 3.2 , 1.6) kV Ampli. Vz tension de focalisation V1 V1 V2 V2 V3 V3 OSCILLOSCOPE Vz Vz Temps de vie de plusieurs centaines de millisecondes pour des ions multichargés d’une énergie cinétique de 4.2q keV sous 10-10 mbar Schéma du piége électrostatique

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

28. 24h après étuvage Avant étuvage Après sublimation 7x10^-10 mbar Après étuvage 8x10^-11 mbar 72h - 200 degrés 1x10^-8 mbar Vide dans la chambre du piège Vanne fermée 8x10-11 mbar Vanne ouverte 5x10-10 mbar Source ON 4x10-9 mbar

29. 6.5 kV 0 V 4.3 kV 0 V Mouvement longitudinal 2 modes de fonctionnement Diffusion dT/dE<0 Synchronisation dT/dE>0 T: oscillation half period E: kinetical energy

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

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

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

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

34. Fréquence d'oscillation Expérience

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

36. 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)

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

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

39. Méta-oscillations Sans RF Ar8+ Ar8+

40. Méta-oscillations Sans RF Ar8+

41. Méta-oscillations Ar8+ Avec RF

42. Méta-oscillations Ar9+ Sans RF

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

44. Mouvement chaotique Théorie du chaos • 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

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

46. Sections de Poincaré Ar10+ Simulations

47. Spectromètre de masse Expérience

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

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

50. 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