Spectroscopie du gaz résiduel
III.2 Analyse de la luminescence
Dans la ligne de transport, le gaz résiduel est essentiellement constitué d'hydrogène (98%), provenant de l'injection d'hydrogène au sein de la source ECR. Le spectre typique de la luminescence du gaz résiduel dans la gamme spectrale allant de 330 à 1000 nm est représenté sur la figure III.3.
Fig. III.3 – Analyse spectrale de la luminescence du gaz résiduel.
Sur ce spectre, on peut remarquer un fond continu et des raies spectrales très intenses. Ces dernières correspondent à celle de la série de Balmer de l'hydrogène atomique (Hα : 656.2 nm, Hβ : 486.1 nm, Hγ : 434 nm...). Les niveaux d'énergie de l'hydrogène atomique sont rappelés en annexe 2 sur la figure III.A2.2.
La première remarque concernant cette analyse spectrale est que les raies les plus intenses sont celles de l'hydrogène atomique, alors que le gaz résiduel est de l'hydrogène moléculaire ! Ce phénomène est connu et bien compris, comme le montre les précédentes études sur le plasma d'hydrogène [III.2]. En effet, la configuration des niveaux d'énergie de la molécule d'hydrogène (annexe 2, figure III.A2.1) est très différente de celle de l'hydrogène atomique (annexe 2, figure III.A2.2). Cette dernière induit l'existence d'une section efficace de dissociation de la molécule bien supérieure à celle d'excitation. C'est ainsi que le moindre apport d'énergie casse la molécule. L'hydrogène atomique résultant est très facilement excité. De plus, nous savons que l'intensité d'émission nm
émis
I
d'une raie spectrale dépend de laHαααα: 656.2 nm
Hββββ : 486.1 nm
probabilité de transition Anm, de la fréquence νnm mais surtout du nombre de particules dans l'état initial Nn: nm nm n nm émis
N h A
I ∝ ν
(III.1)où h est la constante de Planck.
Le nombre de particules dans l'état initial est très important lors de l'estimation de l'intensité des différentes raies. De plus, il est connu que le nombre possible de niveaux excités est beaucoup plus important dans une molécule avec les aspects rotationnel et vibrationnel, par rapport à l'atome. Il est donc clair que ce nombre Nn sera plus faible dans le cas de la molécule, que dans le cas de l'atome. C'est ce que nous retrouvons sur le spectre figure III.3 : les raies correspondant à l'atome d'hydrogène ressortent d'un fond lumineux non nul correspondant aux raies d'émission de la molécule.
Comme on peut le voir sur la formule (III.1), l'intensité lumineuse d'une raie est directement proportionnelle au nombre de particules dans l'état excité, Nn. Ce dernier est lié au nombre de protons, c'est à dire à l'intensité If du faisceau. On s'attend donc à une intensification de la luminescence lors de l'augmentation de l'intensité du faisceau. C'est ce que l'on voit sur la figure III.4 représentant en rouge le spectre du gaz résiduel pour une intensité de 10 mA et en bleu, celui à 60 mA.
Fig. III.4 – Evolution de la luminescence du gaz résiduel en fonction
de l'intensité du faisceau. 1 . 7 0 0 . 0 0 0 . 1 0 0 . 2 0 0 . 3 0 0 . 4 0 0 . 5 0 0 . 6 0 0 . 7 0 0 . 8 0 0 . 9 0 1 . 0 0 1 . 1 0 1 . 2 0 1 . 3 0 1 . 4 0 1 . 5 0 1 . 6 0 1 0 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0 5 5 0 6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0 8 0 0 8 5 0 9 0 0 9 5 0 1 0 0 0 (u.a.) (nm) Hαααα Hββββ Hγγγγ Hδδδδ Spectre à 60 mA Spectre à 10 mA
Dans ce spectre, les quatre raies principales de la série de Balmer ressortent du bruit de fond d'autant plus que l'intensité du faisceau est importante. Nous allons étudier leur évolution en fonction de l'intensité du faisceau afin de voir si l'on peut en tirer des conclusions quantitatives sur les propriétés optiques du faisceau.
Suivant la formule (III.2), le nombre de particules excitées dans un état dépend du nombre de particules incidentes np, de la section efficace d'excitation de l'état, σ et de la densité de particules cibles, dans notre cas, celle des atomes neutres constituant le gaz résiduel, n0.
0 p
n
n n
N ∝ ⋅σ⋅
(III.2)Sachant que le nombre de protons correspond à l'intensité
e
I
fdu faisceau, et que la pression P0 est représentative du nombre de particules constituant le gaz, on obtient à partir des deux formules précédentes, l'expression simplifiée (III.3) de l'intensité d'une raie d'émission en fonction des paramètres expérimentaux :
0 f
émis
I P
I ∝ ⋅σ⋅
(III.3)A partir de cette formule, on voit que dans les mêmes conditions de pression de gaz résiduel, la luminescence pour une raie donnée doit être linéaire en fonction de l'intensité du faisceau. C'est ce qui a été obtenu pour les 4 raies principales de la série de Balmer, et représenté sur la figure III.5.
Fig. III.5 – Evolution des différentes raies principales de la luminescence
du gaz résiduel en fonction de l'intensité du faisceau. 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 0 10 20 30 40 50 60 70
Intensité faisceau (mA)
F lu o rescen ce ( u .a.) 656.2 nm 486.1 nm 434 nm 410.1 nm Hαααα Hββββ Hγγγγ Hδδδδ
Ces mesures montrent que pour toutes intensités, un classement des raies en fonction de leur intensité lumineuse existe et ne varie pas. Il correspond au classement des sections efficaces connues dans la littérature où :
δ γ
β
α
>σ >σ > σ
σ
H H H HUne telle linéarité entre la mesure optique d'une raie spectrale de luminescence du gaz résiduel et l'intensité totale du faisceau est intéressante dans la possibilité de faire des mesures d'intensité de faisceau de manière optique. En effet, un système optique composé d'une sélection de raies (filtres ou monochromateur) et d'un détecteur calibré avec une mesure d'intensité peut ensuite faire office de détecteur optique d'intensité totale du faisceau de protons, à pression constante.
Remarque : Avec une telle linéarité entre la lumière émise et l'intensité du faisceau, il n'est
pas exclu d'envisager un profileur basé sur la variation spatiale de la luminescence et ce, avec un niveau gazeux homogène.
On a donc mis en évidence l'origine de cette luminescence en présence de faisceau : c'est l'hydrogène moléculaire qui a été "cassé" et l'atome d'hydrogène, résultant, excité. Cet apport d'énergie provient du faisceau et plus précisément des protons de 95 keV rentrant en collision avec le gaz résiduel. Il est donc nécessaire d'étudier en première approximation les différents phénomènes qui se produisent lors de l'interaction des protons avec la molécule H2.