La radio-fr´equence

5.2.4.1 Le modulateur

Le systeme est bas´e sur la mesure de la fr´equence cyclotron d'un ion dans un champ magn´etique par modulation de l'´energie du faisceau. Le modulateur qui en est responsable est compos´e de trois plaques de cuivre s´epar´ees par des isolants (gure 5.7).

5) G J J )DLVFHDX )DLVFHDX ( (

FIG. 5.7: Sch´ema du modulateur et sa photo.

Son principe de fonctionnement est d'appliquer un potentiel sinuso¨dal sur la plaque du milieu avec les deux plaques avant et apres a la masse, avec deux fentes de 5 mm de hauteur et 0,4 mm de largeur. Les ions vont alors ressentir un champ ´electrique lors de leur passage dans les deux zones de vide, ou ”gaps”, autour de la plaque charg´ee. Comme on peut le voir sur la gure 5.7, il y a deux distances caract´eristiques du modulateur. Le ”gap”, not´e g, est l'endroit ou s'effectue la modulation, dont la longueur ne doit pas ˆetre trop petite pour ´eviter les d´echarges, ni trop grande pour qu'il n'y ait qu'une petite variation de la phase de la radio-fr´equence pendant sa travers´ee. L'espace de glissement ou ”drift”, not´e d, dont la longueur est calcul´ee de fac¸on a ce que l'ion ne rec¸oive pas au deuxieme ”gap” la modulation oppos´ee a celle rec¸ue dans le premier, ce qui serait le cas si d = 0. Cela va d´ependre de la vitesse de l'ion et donc de sa masse. Ce qui signie qu'avec un modulateur unique on ne peut pas mesurer les noyaux de la masse 1 a 250 sur

la mˆeme fr´equence. On parle alors d'efcacit´e de modulation. Pour avoir une modulation maximale lors du deuxieme passage, il faut que dans le deuxieme gap la radio-fr´equence soit d´ephas´ee de p.

Un code de simulation d´evelopp´e par Michel de Saint Simon permet d'estimer l'ampli-tude de modulation en fonction de la fr´equence appliqu´ee, de la masse des ions consid´er´es ainsi que de la g´eom´etrie du modulateur.

FIG. 5.8: Simulation de l'amplitude de modulation en fonction de la fr´equence pour les masses 10 et 11.

Sur la gure 5.8, on a une simulation pour une g´eom´etrie de modulateur g = 0,5 mm et d = 1,63 mm. On voit que pour avoir une grande modulation, donc une grande r´esolution pour les masses 10 et 11, il faut effectuer les mesures avec une fr´equence d'environ 300 MHz.

5.2.4.2 La ligne de transmission radio-fr´equence

Dans la section qui suit, je vais d´ecrire la ligne de transmission qui va injecter la radio-fr´equence sur le modulateur. La radio-fr´equence g´en´er´ee par un synth´etiseur est ampli´ee jusqu'a une puissance de 1000 W. La ligne de transmission qui fait le lien entre l'amplicateur et le modulateur, doit r´epondre a des sp´ecications particulieres pour que l'´energie de l'onde soit transmise au modulateur.

Premierement, elle doit permettre d'adapter l'imp´edance d'entr´ee a celle de sortie. Celle du modulateur est bien sup´erieure aux 50 W de l'amplicateur. La ligne de trans-mission est dot´ee de quatre transformateurs quart d'onde, l/4 avec une imp´edance ca-ract´eristique allant de 50 a 250 W. Si l'on n'utilise pas ce type de transformateur, la

r´eexion sur le modulateur va ˆetre quasiment totale et toute la puissance va ˆetre renvoy´ee sur l'amplicateur.

Deuxiemement, il faut pouvoir faire cette adaptation sur une large bande de fr´equence. En effet l'imp´edance du modulateur n'est adapt´ee que pour transmettre une seule fr´equence a la fois. Pour aller chercher le maximum d'amplitude de modulation pour une masse donn´ee, un court-circuit r´eglable permet d'adapter la ligne de transmission pour toute la gamme de fr´equences choisie. Pour r´egler la longueur du court-circuit on utilise le dia-gramme de Smith, qui mesure la puissance r´e´echie en fonction du d´ephasage (gure 5.9).

FIG. 5.9: Pour une position donn´ee du court-circuit, le diagramme de Smith mesure le taux de r´eexion en faisant varier la fr´equence. L'onde r´e´echie est d'autant plus faible que l'on est proche du centre du diagramme.

Malgr´e toutes ces pr´ecautions, il existe toujours une onde r´e´echie. Un circulateur plac´e entre l'amplicateur et le modulateur va la diriger vers une charge dissipative.

A l'origine, MISTRAL poss´edait une ligne de transmission comme celle que l'on voit sur la gure 5.10. Mais lorsque l'on regarde la courbe de transmission de puissance au modulateur en fonction de la fr´equence (gure 5.11, en haut), on voit qu'il y a un trou en fr´equence dans l'intervalle d'utilisation du spectrometre. Pour cela, j'ai particip´e a l'installation d'un nouveau systeme d´evelopp´e par Michel de Saint Simon, avant la mesure du11Li de 2003 (voir gure 5.10). Si l'on regarde la transmission de puissance en fonction de la fr´equence, on voit que la bande d'utilisation est moins large mais elle est quasiment constante dans l'intervalle 300-430 MHz (gure 5.11, en bas).

En convoluant la gure 5.8 avec la gure 5.11 du bas et en utilisant l'´equation 4.14, on peut connaˆtre les maxima de r´esolution en fonction de la fr´equence (gure 5.12). Cette courbe nous dit donc quelle fr´equence utiliser pour avoir le maximum de r´esolution.

(QWU ✂✁ 5) 3LVWR✄ DFFRUGHXU 0RGXODWHXU $LPDQW (QWU ✂✁ 5) 3LVWR✄ DFFRUGHXU 0RGXODWHXU $LPDQW

FIG. 5.10: M´ecanique de l'ancienne (en haut) et de la nouvelle ligne de transmission radio-fr´equence (en bas).

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 260 310 360 410 460 510 560 Fréquence (MHz) C o e ff ic ie n t d e r éf le xi o n 50mm 75mm 100mm 125mm 150mm 175mm 200mm 225mm 250mm 275mm 300mm 325mm 350mm 375mm 400mm 425mm 450mm 475mm 500mm 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 260 310 360 410 460 510 560 Fréquence (MHz) C o e ffi c ie n t d e r éf lexi on 20mm 30mm 40mm 50mm 60mm 70mm 80mm 90mm 100mm 110mm 120mm 130mm 140mm 150mm 160mm 170mm 180mm 190mm 200mm

FIG. 5.11: Taux de r´eexion en fonction de la fr´equence pour l'ancien (en haut) et le nouveau (en bas) systeme de transmission de la radio-fr´equence pour diff´erentes positions du piston accordeur. A chaque position du piston (indiqu´ee a droite) correspond une valeur de fr´equence ayant un minimum de coefcient de reexion.

)UpTXHQF 0+]

FIG. 5.12: R´esolution normalis´ee en fonction de la fr´equence, pour les masses 10 et 11. Entre 300 et 330 MHz la courbe exp´erimentale ne suit pas la th´eorique, car l'amplitude de modulation est telle que la fente de phase, grande ouverte, coupe le faisceau.