Description du nouveau montage

3.3.1 Le nouveau four interne

La figure 3.4 pr´esente le four r´ealis´e pour tenir la cellule, surchauffer son corps et produire le champ ´electrique `a l’int´erieur avec un ensemble d’´electrodes annulaires externes. Les cellules en saphir que nous utilisons sont constitu´ees d’un tube cylindrique de saphir monocristallin, de longueur typique L=83 mm, de diam`etre int´erieur φint = 10 mm et de diam`etre ext´erieur φext = 13 mm, aux extr´emit´es duquel sont coll´ees 1 des fenˆetres elles-mˆeme en saphir (diam`etre φ=15 mm, ´epaisseur e=0.5 mm). L’axe c du tube de saphir, ainsi que celui des deux fenˆetres est orient´e selon son axe g´eom´etrique, de fa¸con `a ne pas produire

1La construction des cellules est r´ealis´e par le groupe de D.G. Sarkisyan `a l’institut de Physique

3.3. DESCRIPTION DU NOUVEAU MONTAGE 51

side-arm heating

wire

annular

electrodes

sapphire cell

lasers

HV supply

Fig. 3.4 – Le nouveau four interne

de contraintes lors du collage. Un queusot en saphir, de 40 mm de long, est coll´e au milieu du tube principal, et il se termine par une partie en ”verre au molybd`ene”. Cette partie en verre est remplie avec quelques millim`etres cube de c´esium liquide.

Le corps de la cellule est plac´e entre deux ”demi coques” en c´eramique2 qui forment un tube autour duquel on glisse un ensemble de 11 ´electrodes annulaires (Arcap dor´e d’´epaisseur 1 mm, φint= 13 mm, φext= 33.8 mm) s´epar´ees par des entretoises en silice, qui fixent la distance entre deux ´electrodes.

Il est n´ecessaire de surchauffer la vapeur, `a la fois pour obtenir une vapeur s`eche et pour d´etruire thermiquement les dim`eres de c´esium. On place pour cela l’ensemble (cellule + ´electrodes) dans un four en titane (φint = 44 mm, longueur 144 mm, ´epaisseur 1 mm) autour duquel est coll´e3 un thermocoax bifilaire.

Grˆace `a un queusot suffisamment long, le c´esium liquide peut ˆetre maintenu dans le domaine 140-150<sup>◦</sup>C, assurant une densit´e de vapeur de 1 `a 2×10¹⁴at/cm³, avec un four surchauff´e jusqu’`a 350◦C.

Ce four ”interne” est plac´e dans un four ”externe”, qui accueillait auparavant directement

2La c´eramique utilis´ee ´etait initialement en Macor, puis ensuite en silice

3On utilise la colle Ceramabond571, r´efractaire, et non conductive de AREMCO Products, Inc. de fa¸con

les cellules en verre. Deux orifices de diam`etre 8 mm permettent l’acc`es optique et des ´ecrans thermiques permettent de s’affranchir de fenˆetres.

On asservit la temp´erature en trois points `a l’aide de 3 paires de (thermocouple+Statop) : la temp´erature du r´eservoir Tres, la temp´erature du corps de la cellule Tcell, et une temp´e-rature interm´ediaire, entre le r´eservoir et le corps de la cellule, `a l’ext´erieur du four interne Text. Les valeurs typiques sont Tres = 145◦C, Text = 155◦C, et Tcell a ´et´e souvent vari´ee dans le domaine 200 − 340◦C.

Nous avons cherch´e `a conserver la sym´etrie de r´evolution autour de l’axe de propagation des faisceaux. Celle-ci est seulement bris´ee par l’indispensable queusot et les fils d’arriv´ees de haute tension. Le plan vertical reste un plan de sym´etrie.

3.3.2 Calcul de la carte du champ ´electrique

sapphire cell

silica tube

sapphire ring

electrodes

window

silica spacers

Fig. 3.5 – Calcul num´erique des ´equipotentielles sur un quart de cellule.

Le calcul num´erique de la carte du champ, r´ealis´e par M.A. Bouchiat, a permis de d´efinir pr´ecis´ement une g´eom´etrie, r´ealiste du point de vue m´ecanique, et permettant d’assurer l’homog´en´eit´e du champ ´electrique produit par les ´electrodes, dans la r´egion o`u se trouvent

3.3. DESCRIPTION DU NOUVEAU MONTAGE 53 les atomes en interaction avec les faisceaux.

Nous avons toujours le souci de pr´eserver la sym´etrie de r´evolution au maximum, d’o`u le choix d’´electrodes cylindriques. De plus, dans un syst`eme `a sym´etrie cylindrique, on a ∂V /∂r = 0 en r = 0, ce qui implique que l’´eventuelle composante radiale du champ ´elec-trique sera a priori tr`es petite au voisinage de l’axe. On voudrait id´ealement avoir aussi une sym´etrie par translation selon l’axe de la cellule pour assurer une homog´en´eit´e du champ. En pratique, on obtient une carte satisfaisante avec un jeu de 11 ´electrodes, dispos´ees sym´etriquement par rapport au milieu du corps de la cellule, et aliment´ees avec des po-tentiels croissant arithm´etiquement (-HT, -4HT/5,...,+4HT/5,+HT). Les deux ´electrodes extrˆemes sont ´epaisses et plac´ees au-del`a des fenˆetres pour pouvoir assurer l’homog´en´eit´e du champ au niveau des fenˆetres. Le calcul num´erique `a deux dimensions a ´et´e r´ealis´e `a partir d’une discr´etisation de l’´equation de Laplace en coordonn´ees cylindriques, utilisant la technique ”simultaneous over relaxation method”4. Il prend en compte la pr´esence des di´electriques, `a la fois du saphir (anisotrope) et des isolants en c´eramique. La figure 3.5 pr´esente le r´esultat du calcul des ´equipotentielles sur une grille de 600×600 points pour un quart de cellule. On note que la carte du champ au niveau des fenˆetres est am´elior´ee grˆace `a la pr´esence d’une bague en saphir prolongeant le tube et d’une bague en c´eramique prolongeant la coque plac´ee autour de la cellule. Les variations locales de E<sub>z</sub> le long de l’axe de la cellule n’exc`edent pas le pourcent et dans toute la r´egion d’interaction, l’´ecart type sur la distribution de E_z vaut 3 × 10−4 et l’´ecart type sur le champ radial vaut 8 × 10−4.

3.3.3 Production des impulsions de haute tension r´eversibles de

forme trapezo¨ıdale

La derni`ere ´etape consiste `a produire les impulsions de tension de signe basculable pour alimenter les ´electrodes. La figure 3.6 pr´esente le sch´ema d’ensemble du g´en´erateur, constitu´e :

- d’un g´en´erateur unipolaire de haute tension continue `a charge capacitive5 qui d´elivre une tension de 0 `a 12.5 kV,

- de deux interrupteurs haute tension6 qui d´ecoupent des impulsions de dur´ee ajustable `a partir de 150 ns, avec des temps de mont´ee et de descente inf´erieurs `a 60 ns,

- de deux capacit´es de d´ecouplage (C=10 nF),

4W.H. Press, Numerical Recipes (Cambridge Univ. Press, 1986.)

5FUG, Model HCK200-12500

- d’un pont diviseur constitu´e de 10 r´esistances de 160 Ω, non inductives en carbone. interface DC HV supply HV SWITCH 1 HV SWITCH 2 10kV 10kV TTL trigger 5×160Ω
5×160Ω
10nF _10nF 0 kV 10 kV 200ns 1ms 0 +1 +2 +3 +4 +5 -1 -2 -3 -4 -5 0 kV 10 kV 0 kV -10kV

PC

Fig. 3.6 – Production des impulsions de haute tension pour les ´electrodes.

Les deux interrupteurs sont aliment´es par la mˆeme tension continue d’environ 10 kV. Ils sont d´eclench´es avec des signaux TTL de rapports cycliques compl´ementaires : TTL 1 est bas quand TTL 2 est haut et vice versa. Les capacit´es de d´ecouplage filtrent la composante continue, et permettent donc d’obtenir des impulsions courtes de haute tension de signes oppos´es `a partir d’un g´en´erateur unipolaire. La tension est positive `a gauche lorsqu’elle est n´egative `a droite, et on peut donc alimenter, avec le pont diviseur, les 11 ´electrodes avec des potentiels croissant arithm´etiquement.

Changement de polarit´e-Temps mort : on change le signe du champ ´electrique en inversant les rapports cycliques des deux d´eclenchements. Ce changement doit se produire lorsque les interrupteurs ne sont pas aliment´es par la haute tension, sinon une longue impul-sion (> 600 ns) de haute tenimpul-sion traverserait les capacit´es et pourrait initier une d´echarge ´electrique dans la vapeur. Il faut donc amener `a z´ero l’entr´ee des deux interrupteurs, avec une constante de temps suffisamment longue (> 3 ms) pour que la d´echarge des capacit´es des interrupteurs GRX soit filtr´ee par les capacit´es de d´ecouplage. Il faut ensuite recharger les capacit´es (50 nF) d’entr´ee des deux interrupteurs jusqu’`a 10 kV, avec les 30 mA

dispo-3.4. PREMIERS R ´ESULTATS EXP ´ERIMENTAUX 55