Le but de ce travail est de pi´eger les atomes issus d’un pi`ege magn´eto-optique `a miroir
(cf. chapitre 1.4.4) dans des pi`eges dipolaires mis en forme par des microstructures. Les dur´ees
n´ecessaires de pi´egeage pour les caract´eriser sont typiquement de quelques dizaines de
millise-condes. Pour limiter les collisions entre les atomes pi´eg´es et les atomes du gaz r´esiduel, il est
alors n´ecessaire d’obtenir des pressions inf´erieures `a 10
−8mbar.
Cette pression est tr`es sup´erieure `a celle n´ecessaire dans d’autres exp´eriences d’atomes froids
o`u des dur´ees de vie de quelques dizaines de secondes sont parfois n´ecessaires. Nous pourrons
alors ouvrir r´eguli`erement l’exp´erience pour changer le miroir du pi`ege magn´eto-optique sur
lequel se trouvent les structures, sans pour autant immobiliser l’exp´erience pendant plusieurs
semaines pour l’´etuvage.
Nous allons pr´esenter les diff´erentes composantes de cette enceinte `a vide, d´ecrirons la
proc´edure d’´etuvage, et indiquerons les moyens dont nous disposons pour estimer la pression
dans la chambre.
2.1.1 Description
La partie principale de l’enceinte `a vide de cette exp´erience est une chambre de forme
cubique, pr´esentant une bride CF-63 sur chacune de ses faces, et une bride CF-20 `a chacun de
ses sommets. C’est dans cette chambre que les atomes seront pi´eg´es, aussi bien dans le PMOM
que dans les pi`eges dipolaires.
Une des faces de ce cube est utilis´ee pour une translation trois axes MTE3Z50 MECA 2000
(cf. Figure 2.2), sur laquelle est fix´e le support de miroir du pi`ege magn´eto-optique (cf. chapitre
3). Toutes les autres faces de la chambre disposent d’un acc`es optique, utilis´e pour le passage
des faisceaux laser.
La chambre `a vide est reli´ee `a deux pompes, comme indiqu´e sur la Figure 2.2. L’une d’entre
elles est une pompe Turbo-Dry 65 Varian, qui assure le pompage primaire lors des ´etuvages.
Pendant les exp´eriences, cette pompe ne fonctionne pas et une vanne `a tiroir S´erie 01
DN-40 VAT l’isole alors de l’enceinte. L’utilisation de vannes `a joint en viton est permise par les
valeurs “´elev´ees” des pressions que nous cherchons `a obtenir. La deuxi`eme est une pompe ionique
VacIon Plus 55 Noble Diode Varian, qui reste allum´ee en permanence sauf lorsque l’enceinte est
ouverte. Dans ce cas, une vanne d’isolement AV-150M MDC permet d’´eviter une pollution de
la pompe par l’atmosph`ere. Cette pompe est plac´ee dans un blindage magn´etique enµ-m´etal.
Les acc`es sur les sommets du cube de la chambre principale sont tous occup´es par des
hublots, `a l’exception d’un sur lequel le r´eservoir de C´esium est fix´e. Deux petites cam´eras
Velleman noir et blanc sont dispos´ees devant deux des hublots de contrˆole, et permettent de
visualiser facilement l’int´erieur de la chambre sur des t´el´evisions KM-12AE Ultrak. Ces cam´eras
sont peu on´ereuses (une trentaine d’euros), mais sensibles au proche infrarouge. Elles collectent
ainsi la fluorescence des atomes, et permettent de les visualiser. Nous les utiliserons notamment
pour la proc´edure de r´eglage du PMOM (cf. §3.2).
Le r´eservoir de C´esium est isol´e du reste de l’enceinte par une vanne tout m´etal S´erie 57.1,
DN-16 VAT. Elle est ferm´ee lors de l’ouverture du syst`eme de vide, ou la nuit. Le r´eservoir en
lui-mˆeme est un tube d’inox contenant une ampoule de C´esium de 10 grammes. Une fois sous
vide, l’ampoule est cass´ee. Une telle ampoule contient suffisamment de C´esium pour alimenter
en gaz r´esiduel l’exp´erience pendant quelques ann´ees.
Le volume total de l’enceinte est de l’ordre de 10 L.
Pompe
Pompe
R´eservoir
de C´esium
Translation
3 axes
Turbo-Dry
Ionique D
C
M
VAT
*
*
*
*
*
*
*
Fig. 2.2: Sch´ema du syst`eme de vide. Les ´etoiles repr´esentent les acc`es
op-tiques dans la chambre `a vide.
2.1.2 Etuvage´
Apr`es chaque mise `a l’air de l’exp´erience, il est n´ecessaire de proc´eder `a un ´etuvage. Cette
proc´edure consiste `a chauffer l’ensemble de l’enceinte de fa¸con `a d´esorber les gaz ambiants
des parois de l’enceinte `a vide. Les Figures 2.3 et 2.4 montrent les temp´eratures et pressions
typiques que l’on obtient lors d’un ´etuvage. Un ´etuvage est compos´ee de plusieurs phases :
Pompage primaire
Apr`es avoir referm´e l’enceinte, la pompe Turbo-Dry est allum´ee (vanne VAT ouverte), et
la pompe ionique est ´eteinte (vanne MDC ferm´ee). Lorsque la pression descend en dessous de
10
-910
-810
-710
-610
-510
-410
-3Pression Cathode Froide [mbar]
4
3
2
1
0
Durée étuvage [jours]
1
2
3
4
Fig. 2.3: Pression typique lors d’un ´etuvage. Le convertisseur
analo-gique/num´erique de la magn´etron inverse provoque la rupture de pente que
l’on peut voir `a chaque changement de d´ecade. 1 – La pompe Turbo-Dry est
allum´ee et l’enceinte chauffe. 2 – Le chauffage de la pompe ionique est arrˆet´e,
le papier aluminium recouvrant les vannes en viton est enlev´e. 3 – La vanne
VAT de la pompe Turbo-Dry est ferm´ee. 4 – Le chauffage de l’ensemble de
l’enceinte est arrˆet´e.
160
140
120
100
80
60
40
20
Température [°C]
4
3
2
1
0
Durée étuvage [jours]
Fig. 2.4: Courbes de temp´erature correspondant `a l’´etuvage de la Figure 2.3.
La courbe en trait plein donne la temp´erature de la pompe ionique. Les courbes
en tirets longs repr´esentent les temp´eratures des deux vannes en viton isolant
les pompes. Celles en tirets courts correspondent aux temp´eratures de trois
hublots et de la translation.
10
−4mbar, la vanne MDC est ouverte.
Chauffage de l’enceinte
La totalit´e du syst`eme de vide, ainsi que la pompe ionique, sont chauff´es `a l’aide de quatre
cordons chauffants et des bobines de gradient de champ magn´etique (qui servent ici uniquement
de r´esistances chauffantes). Chacun de ces ´el´ements chauffants est aliment´e par une alimentation
distincte, pour obtenir une temp´erature homog`ene sur l’ensemble du dispositif. Sept
thermo-couples sont dispos´es en diff´erents endroits de l’enceinte, afin de contrˆoler la temp´erature. Ils
permettent notamment de v´erifier que les vannes en viton ne d´epassent pas la temp´erature limite
de 150➦C au del`a de laquelle le joint se d´egrade et que la temp´erature des hublots n’augmente
pas plus rapidement que 2➦C/minute pour ´eviter les fˆelures. L’ensemble du syst`eme de vide est
envelopp´e dans deux couches de papier aluminium qui permettent de chauffer l’exp´erience de
fa¸con plus homog`ene, et d’´eviter que la temp´erature ne descende trop rapidement en cas de
coupure de courant. Cette ´etape d’´etuvage en pompage primaire dure typiquement deux `a trois
jours. Le d´ebit typique de la pompe Turbo-Dry est de 30 litres/seconde.
Pompage secondaire
Une fois que la pression atteint la zone d’accrochage de la pompe ionique (10
−5mbar), on
coupe le chauffage de cette derni`ere. Lorsque sa temp´erature descend en dessous de 60➦C, elle
est allum´ee. Dans le mˆeme temps, le papier aluminium qui enveloppe les vannes des pompes
est retir´e, afin qu’elles refroidissent suffisamment pour pouvoir les manipuler. La vanne qui relie
l’enceinte `a la pompe Turbo-Dry est alors ferm´ee, et cette derni`ere est ´eteinte. On laisse alors
l’´etuvage se poursuivre pendant un `a deux jours. Le d´ebit typique de la pompe ionique est de
75 litres/seconde.
Refroidissement de l’exp´erience
L’alimentation des diff´erents ´el´ements chauffant est progressivement coup´ee pour permettre
au dispositif de refroidir sans endommager les hublots. La vanne du r´eservoir est ouverte, afin
de pouvoir charger le pi`ege magn´eto-optique.
2.1.3 Mesures de pressions
La pression dans la chambre peut ˆetre mesur´ee de deux fa¸cons : soit par le courant de
fonctionnement de la pompe ionique, soit par une jauge de pression magn´etron inverse Varian.
Cette derni`ere n’est pas repr´esent´ee sur la Figure 2.2 pour plus de clart´e, et est plac´ee entre
l’enceinte et la vanne de la pompe Turbo-Dry.
Cependant, aucune de ces deux mesures n’a lieu dans la chambre `a vide principale o`u les
exp´eriences ont lieu. De plus, elles indiquent la pression totale dans l’enceinte, et nous n’avons
donc aucune indication sur la pression partielle en C´esium.
Pour estimer la pression partielle de C´esium dans la chambre principale, nous avons utilis´e
un laser sur la transition 6S1
/2→6P3
/2. La fr´equence du laser est balay´ee sur le profil Doppler
par un pi´ezo-´electrique qui change la longueur de la cavit´e ´etendue du laser. La fr´equence de
balayage estf = 85 Hz. En d´emodulant `a 2f le signal d’une photodiode mesurant la puissance
laser transmise apr`es travers´ee de la chambre, on obtient un signal proportionnel `a la pression
de C´esium dans la chambre. Il reste alors `a ´etalonner cette mesure en proc´edant de la mˆeme
fa¸con pour une cuve de C´esium `a temp´erature ambiante, dont les tables nous donne la pression
de vapeur saturante. En effectuant cette mesure alors que la vanne du r´eservoir de C´esium ´etait
ouverte depuis 24 heures, nous avons ainsi mesur´e une pression de C´esium de 9.10
−10mbar,
pour une pression totale affich´ee par la pompe ionique de 8.10
−9mbar.
Les acc`es optiques de la chambre `a vide permettent la travers´ee des faisceaux laser. Nous
allons maintenant d´etailler les sources laser que nous utilisons exp´erimentalement pour refroidir
et pi´eger les atomes (cf. chapitre 1).
Dans le document
Manipulation d'atomes froids par des puces atomiques optiques
(Page 39-43)