B. Dispositif expérimental
V.7 Cellule de gaz
V.7.1 Conception
On souhaite intercaler entre les deux faisceaux atomiques, dont les centres sont dis-tants de 90 µm, une séparation matérielle qui isole un chemin atomique par rapport à l’autre. De cette manière, on peut introduire un gaz à une pression de l’ordre de quelques 10−4 mbar sur un seul des deux faisceaux atomiques. Ce gaz doit être contenu dans une cellule comportant des fentes pour permettre le passage des atomes. Cependant, ces fentes doivent présenter une faible conductance pour permettre d’avoir une pression de gaz très différente à l’intérieur et à l’extérieur de la cellule. Dans l’interféromètre atomique, la pres-sion résiduelle est voisine de 5 × 10−7 mbar et on ne veut pas augmenter beaucoup cette pression.
La cellule de gaz est représentée sur la figure V.7. Elle est constituée d’une pièce massive de longueur 80 mm pour 35 mm de large. Au coeur de celle-ci, est créé un volume qui contiendra le gaz. On recouvre ensuite cette pièce d’une feuille de mylar tendue. Pour éviter de modifier notablement la pression résiduelle dans l’enceinte de l’interféromètre, on diminue la conductance de la cellule en plaçant de chaque côté une cale de sorte à créer deux fentes de sortie de largeurs voisines de 300 µm. Le gaz est ensuite acheminé dans la cellule par un tube de diamètre 16 mm par une entrée située à l’arrière de la cellule.
V.7.2 Réalisation
La construction de la cellule se fait en plusieurs étapes. Tout d’abord, la pièce massive est réalisée en dural et elle doit posséder un très bon état de surface. En effet les deux parties soutenant le mylar doivent être parallèles entres elles et ne pas avoir d’irrégularités supérieures à quelques micromètres pour assurer une bonne planéité à la feuille de mylar tendue. La pièce doit également permettre un réglage optique de la position du mylar par rapport au jet de lithium. Pour cela, on a créé une ouverture au dos de la cellule permettant l’insertion d’un hublot pour observer le mylar pendant l’alignement de la cellule. Aux extrémités de cette pièce, on rétrécit la profondeur de la rainure centrale de sorte à créer
entrée du gaz fente de 300µm septum Li 10mm 60mm 10mm hublot 80mm 10mm 2mm fente 0.3 mm x y z 10mm 10mm 15mm
Fig.V.7 – Schémas représentant la cellule d’interaction. A gauche, une vue de dessus et à droite, une vue en trois dimensions. On distingue le mylar séparant matériellement les deux jets atomiques. Côté cellule, un hublot a été placé dans la pièce massive pour permettre un alignement optique du mylar. Le gaz est introduit par l’arrière. Deux fentes de largeurs 300 µm permettent de localiser le gradient de densité dans les fentes.
Arrivée de Gaz
passage des atomes surface du mylar
Fig. V.8 – Photo de la cellule d’interaction montée sur son support. On distingue l’état de surface du mylar, une fente d’entrée des atomes et l’arrivée de gaz.
un canal de sortie pour le gaz. La longueur du canal peut atteindre 10 mm mais cette longueur sera réduite par la découpe du mylar. La hauteur du canal est égale à 15 mm et sa largeur est voisine de 300 µm.
La feuille de mylar, d’épaisseur 6 µm, est tout d’abord tendue sur un gabarit cylin-drique. Le principe est le même que pour la cellule de polarisabilité : je colle une feuille de mylar sur un anneau et je la recouvre d’un film d’eau savonneuse. En chauffant le tout à une température de l’ordre de 80◦C, le mylar se tend sans s’endommager sous l’effet de la chaleur. Je dépose ensuite la pièce en dural par dessus en ayant pris soin de déposer une fine couche de colle sur les extrémités de la pièce. Une fois collé, on découpe le mylar à la taille de la cellule en prenant tout particulièrement soin des bords libres. En effet, si ces bords libres sont mal tendus, leur flêche gênerait le passage des atomes. Pour l’éviter, on découpe la feuille de mylar à des dimensions légèrement plus faibles de quelques milli-mètres que la pièce en dural. Par un contrôle optique élémentaire on peut alors évaluer la déformation maximale des bords libres. L’ombre provoquée par ces bords est, pour cette cellule, de l’ordre d’au maximum 20 µm. Une fois le mylar collé sur la pièce en dural, nous ne pouvons plus contrôler l’ouverture des fentes sans risquer d’endommager le mylar. On est alors obligé de faire confiance aux mesures préliminaires de la pièce en dural. On sait cependant que l’épaisseur de la couche de colle entre la pièce de dural et le mylar est typiquement de 10 µm, rendant les fentes plus larges de la même quantité.
La cellule fut initialement construite en acier inoxydable de même que les cales pour les fentes. Cette cellule fut introduite au mois de mai 2006 dans l’interféromètre. On a constaté expérimentalement que les deux chemins atomiques passaient bien de part et d’autre du mylar sans être atténués. Néanmoins, nous n’avons pas réussi à observer de beaux signaux d’interférences. Nous avions typiquement une visibilité initiale de 65% qui était réduite aux environs de 10% quand nous introduisions le septum entre les deux che-mins atomiques. Une fois la cellule réalisée en dural, nous n’avons plus rencontré ce pro-blème. L’explication provient certainement de la présence de gradients de champ magné-tique ou d’une annulation locale du champ magnémagné-tique. L’acier inoxydable est faiblement magnétique mais la réalisation d’une soudure pour fixer le raccord d’arrivée de gaz a pu modifier localement les propriétés magnétiques du métal. L’hypothèse d’un gradient de champ relativement homogène semble peu probable puisqu’il faudrait avoir vraiment de forts gradients pour induire une telle perte de visibilité [11]. De plus, nous avons mesuré les champs magnétiques résiduels à l’aide d’un gaussmètre une fois la cellule démontée, et nous n’avons trouvé que des variations de champ de quelques dizaines de milli-Gauss sur une distance de l’ordre du centimètre. Par contre, une annulation locale de champ magnétique pourrait causer une forte perte de cohérence en mélangeant les sous niveaux Zeeman. Cette hypothèse nous semble être plus satisfaisante. C’est du moins la seule qui explique à la fois le passage du jet de part et d’autre du mylar et la perte de cohérence observée sur le signal de franges d’interférences.
V.7.3 Mode opératoire de remplissage et vidage de la cellule
Le mode opératoire d’introduction de gaz est le même pour toutes les mesures d’in-dice. La figure V.9 représente le dispositif expérimental. On crée tout d’abord le vide
Gaz pompe primaire jauge CTR91 jauge ITR90 vanne de fuite soufflet cellule by pass conduite CF 16 conduite 6mm gyrolok VIDE SECONDAIRE 1 2 3 4
Fig. V.9 – Schéma illustrant notre ligne de gaz servant à l’alimentation de la cellule d’in-teraction. Le débit de gaz est réglé par une vanne de fuite (N◦3). Une jauge à membrane mesure la pression de gaz dans la cellule (jauge CTR91).
secondaire dans toutes les canalisations en laissant la vanne N◦4 de by-pass ouverte, vanne de fuite N◦3 et vanne N◦2 fermées. Ensuite, avant d’introduire un gaz quelconque ou lors-qu’on change de gaz, on pompe, via une pompe primaire, les tuyaux du détendeur à la vanne de fuite (vannes N◦1 et N◦2 ouvertes). La pompe est raccordée à la ligne de gaz par un tuyau de diamètre 40 mm, de 10 m de longueur, qui permet de minimiser les remontées de vapeur d’huile. Lorsque nous changeons de gaz, nous ouvrons la ligne de gaz à l’atmo-sphère, et on utilise le pompage primaire pour vider la ligne avant d’introduire le nouveau gaz. Ensuite on introduit 0.5 bar de gaz jusqu’à la vanne de fuite (fermée). La vanne de fuite n’accepte pas de pression d’entrée supérieure à 1 bar absolu. L’inconvénient est que la ligne de gaz est en dépression par rapport à l’atmosphère, ce qui pourrait donner lieu à une éventuelle introduction d’air dans la conduite mais la possibilité de ce genre de fuite est très faible. On ferme alors la vanne N◦4 du by-pass et on ouvre délicatement la vanne de fuite. Dès lors, la jauge CTR91 nous donne une mesure de la pression de gaz dans la cellule. Typiquement, la plage de pression balayée est de 2 × 10−5 mbar à 1 × 10−3 mbar. Une fois le gaz dans la cellule, la procédure pour la vider est simple : on ferme la vanne N◦2 et on ouvre la vanne N◦4. La vanne de fuite reste généralement ouverte dans ce cas pour des questions de rapidité d’exécution.
V.7.4 Temps de vidage de la cellule :
On a besoin de remplir et de vider la cellule de gaz en des temps de l’ordre de la seconde, pour permettre une meilleure mesure de la différence de phase entre les deux configurations. Pour cela, on a prévu un tube d’amenée UHV de diamètre 16 mm le plus court possible entre la vanne d’arrivée et la cellule. On peut estimer la constante de temps d’évacuation comme le rapport entre le volume à vider par la conductance du tuyau. Le volume à vider est de 2 cm3 pour la cellule et de ∼ 300 cm3 pour le tube. La conductance du tube est de Ctube = 1.1 L/s. La constante de temps de vidage de la cellule est donc de 0.3 s. Ainsi, pour réduire la pression de 10−3 mbar à 10−6 mbar, il faut environ 7 fois la constante de temps soit une durée voisine de 2 s. Comme on vide le gaz de la cellule dans l’enceinte de l’interféromètre, on a alors jugé raisonnable d’attendre au moins 3 secondes avant de considérer que l’équilibre de pression est établi.
V.7.5 Mesure de la pression à l’intérieur de la cellule de gaz
Pour une mesure précise de l’indice de réfraction on a besoin de connaître la pression de gaz dans la cellule avec une précision de l’ordre du pourcent. Pour cela on dispose de deux moyens de mesure. La première possibilité est de mesurer l’élévation de pression dans l’enceinte de l’interféromètre. Pour une pression de Pint = 2 × 10−7 mbar une remontée de pression de 5 × 10−8 mbar représente une augmentation près de 25%. Cette augmentation est accessible à notre jauge à ionisation mais cette mesure dépend fortement de la nature chimique du gaz introduit par la sensibilité de la jauge et aussi par le rapport entre les conductances de fuites de la cellule et la vitesse de pompage de l’enceinte.
Nous avons choisi de mesurer directement la pression dans la ligne d’arrivée du gaz par une jauge à déformation de membrane dont la sensibilité ne dépend pas de la nature du gaz. Nous utilisons une jauge Leybold modèle CERAVAC CTR91. Cette jauge est capable d’effectuer des mesures de pression très reproductibles. La gamme de pression mesurable est 1.3 × 10−6 mbar-1.3 × 10−1 mbar. L’incertitude de mesure δP dépend de la pression P et elle vaut :
δP (mbar) = 3.25 × 10−6+ 1.6 × 10−3× P (mbar) (V.38) Pour une pression de 1 × 10−4 mbar, l’incertitude relative est de 3.4% et elle n’est plus que de 0.48% pour une pression de 1 × 10−3 mbar.
V.7.6 Gaz introduits
Les gaz que l’on souhaite introduire dans la cellule sont essentiellement des gaz rares. En effet, les interactions lithium-gaz rare ont déjà fait l’objet de plusieurs études théoriques et expérimentales [266–269, 272]. Cette connaissance précise des potentiels d’interaction nous permettra alors de pouvoir comparer nos mesures avec les prédictions théoriques
Néanmoins, les gaz rares ne sont pas les seuls à pouvoir être utilisés. Par exemple, il pourra être intéressant d’étudier le comportement de l’indice de réfraction de l’azote pour connaître l’effet d’une pollution de la cellule par une fuite d’air. Du fait de sa taille, la molécule N2 devrait créer une forte atténuation et un déphasage important [138]. Dans un premier temps, nous avons évité les gaz moléculaires car leurs degrès de liberté de vibration
Gaz Argon Krypton Xénon Impuretés H20 0.5 3 3 H2 0.1 2 2 N2 0.3 10 10 O2 0.1 2 2 CO, CO2 0.1 2 2 Xe - 25 -Kr - - 25
Tab.V.1 – Cette table donne les impuretés des gaz rares très purs que nous avons utilisés. Les quantités sont des limites supérieures estimées par le fabricant et elles sont exprimées en ppm.
et de rotation compliquent énormément les calculs de collisions et les sufaces de potentiels lithium-molécule sont très mal connues.
Si l’on revient désormais aux gaz introduits, il nous a semblé important de choisir des gaz de grande pureté. Vue la faible pression de gaz dans la cellule, la présence d’impuretés pourrait fausser la mesure. La pureté des gaz rares est très élevée, de sorte qu’elle ne pose pas de problèmes. Les concentrations des impuretés sont répertoriés dans la Table V.1. Les grandeurs sont des limites supérieures exprimées en ppm (1 molécule d’impureté pour 106 atomes du gaz). Il faut de plus une ligne de gaz propre pour éviter de polluer le gaz introduit et c’est pourquoi nous avons utilisé des composants pour l’ultra-vide. Il aurait été souhaitable d’étuver cette ligne mais nous ne pouvions pas étuver la cellule à cause du mylar et des collages qui ne supportent pas les hautes températures. Nous nous sommes contentés de nettoyer au mieux tous ces composants avant le montage et de purger la ligne de gaz avec du gaz propre avant chaque mesure.