Mise en évidence de l'absorption optique

Pour avoir un signal d'absorption, deux points sont incontournables : il faut la présence d'états métastables et une source de lumière susceptible d'exciter ces états et ainsi être absorbée.

La littérature permet la récolte d'informations sur les nombreuses raies radiatives susceptibles de peupler les métastables et inversement, d'absorber un rayonnement lumineux de longueur d'onde appropriée. Ces raies sont représentées sur la figure VI.12 et leurs caractéristiques en rapport avec l'absorption (longueur d'onde et probabilité de transition) sont données dans le tableau VI.2.

La présence de métastables a été montrée par l'analyse des spectres de luminescence obtenus lors de l'injection des gaz au contact du faisceau. En effet, à partir de ces mesures et des données citées précédemment, l'existence des raies radiatives vers les métastables prouvent la présence de ces derniers. Il faut maintenant mettre en évidence le processus d'absorption lui-même.

Fig. VI.12 – Schéma des différentes transitions d'excitation

des métastables de l'argon.

Niveaux métastables Longueur d'onde (nm) Transition radiative correspondante Probabilité de transition (10⁸ s)

772.4 1s

₃

↔ 2p

₂ 0.127

794.8 1s

₃

↔ 2p

₄ 0.196

866.8 1s

₃

↔ 2p

₇ 0.028

0

3

P

1047.0 1s

₃

↔ 2p

₁₀ 0.012

696.5 1s

₅

↔ 2p

₂ 0.067

706.7 1s

₅

↔ 2p

₃ 0.040

714.7 1s

₅

↔ 2p

₄ 0.0065

763.5 1s

5

↔ 2p

6 0.274

772.4 1s

₅

↔ 2p

₇ 0.057

801.5 1s

₅

↔ 2p

₈ 0.096

811.5 1s

₅

↔ 2p

₉ 0.366

2

3

P

912.3 1s

₅

↔ 2p

₁₀ 0.212

Pour ce faire, des mesures d'absorption sur l'argon et sur le krypton, suivant le dispositif de la figure VI.13 ont été étudiées. La source de métastables sera le même dispositif d'injection gazeuse, que lors des mesures spectroscopiques de luminescence présentées dans le chapitre IV. Le gaz injecté va être excité au contact du faisceau de protons et ainsi crée le milieu absorbant. La source lumineuse de référence d'intensité I0 est une lampe spectrale correspondant au gaz injecté. L'intensité It du faisceau transmise est ensuite analysée par le même monochromateur que lors des mesures spectroscopiques.

Fig. VI.13 – Dispositif de mesure d'absorption. Lors des tests d'absorption, le monochromateur a une double utilité :

• il permet d'analyser la lumière transmise après la traversée du milieu absorbant,

• il sélectionne une seule longueur d'onde lors de l'étude de l'absorption sur cette dernière.

Au cours des rappels théoriques, nous avons mentionné qu'il ne faut pas confondre la lumière transmise avec celle émise par luminescence, celles-ci étant à la même longueur d'onde. Dans notre cas, cette luminescence est d'une intensité très faible devant celle de la lampe spectrale, elle peut ainsi être négligée lors des mesures.

La figure VI.14 représente le premier signal d'absorption observé sur la ligne de faisceau avec une injection d'argon de 25 mPa et un faisceau de protons d'intensité 60 mA. Cette mesure a été faite sur la raie de longueur d'onde λ=763.5 nm. La mesure a été faite avec une interruption de faisceau à l'aide de la cage de Faraday située en sortie de source. La courbe se divise ainsi en deux parties :

❶

Pas de faisceau de protons au contact du gaz injecté :

I

t

= I

0

Dans ce cas, le signal acquis It correspond à l'intensité I0 de la luminescence de la lampe spectrale seule, à la longueur d'onde sélectionnée par le monochromateur. Ce signal est assez stable.

Ar / Kr Ar / Kr

❷

Présence du faisceau de protons au contact du gaz injecté :

I

_t

< I

₀

Dans cette phase, la longueur d'onde est sélectionnée par le monochromateur. Deux signaux sont réellement présents : celui de la lampe (I0) et celui de la luminescence du faisceau (If). Il est donc évident, que s'il n'y avait aucun phénomène physique lors de l'interaction entre le signal de la lampe et celui du plasma, nous devrions obtenir un signal (It), équivalent à la somme des deux signaux de luminescence distincts : It = I0 + If. Ce n'est pas du tout le cas, puisque au contraire, une baisse de signal est constatée : It < I0. Ce phénomène existe lorsque le faisceau de protons est en interaction avec le gaz injecté. Cela signifie qu'il y a création d'un milieu absorbant pour cette longueur d'onde, autrement dit, il y a absorption de l'onde lumineuse de longueur d'onde λ=763.5 nm par la présence de métastables 3P . ₂

Fig. VI.14 – Premier signal d'absorption observé.

Ce processus d'absorption doit être aisément reproductible, afin qu'il puisse permettre de qualifier le faisceau de particules. Il a donc été décidé de tester dans les mêmes conditions optiques le signal d'absorption précédent, avec un faisceau de protons pulsé de 400 ms toutes les secondes. Le résultat est représenté sur la figure VI.15 où la courbe rouge correspond à une mesure de l'intensité de la source lumineuse de référence (I0) sans la présence du faisceau de protons. La courbe bleue quant à elle, représente le signal (It) de cette source, lorsque le faisceau de protons est en interaction avec le gaz, c'est à dire lorsque le faisceau lumineux de la lampe rencontre un milieu, qui alterne entre sa qualité d'absorbant et sa qualité de transparent.

Un signal d'absorption pulsé à la même fréquence que le faisceau est bien retrouvé. De plus, ce signal est reproductible sur les trois pulses de la figure VI.15. Cela est très encourageant, car seuls trois pulses sont représentés sur la figure mais en réalité, la même reproductibilité du signal a été obtenue sur plus de 100 pulses.

❶

❶

❶

❶

Lampe seule

I

0

❷

❷

❷

❷

Lampe seule + faisceau

I

t

Fig. VI.15 – Reproductibilité du signal d'absorption pour la raie 763.5 nm.

L'existence du phénomène d'absorption optique a bien été mise en évidence sur un plasma engendré par le passage d'un faisceau intense de protons au sein d'un gaz de faible densité. Suite aux investigations théoriques précédemment faites et dans le but de mettre au point ce profileur, il faut maintenant définir la variation expérimentale de l'absorption optique avec l'intensité du faisceau.

Afin de vérifier l'hypothèse de la très faible absorption d'une raie radiative, une absorption sur la raie λ=750.4 nm a été essayée et ce dans les mêmes conditions expérimentales. Comme nous pouvons le voir sur la figure VI.12, cette raie correspond à une transition qui peut exciter le niveau radiatif ¹

P

₁ vers un niveau de la configuration 3p⁵4p. Le résultat de la mesure est représenté sur la figure VI.16 où comme précédemment, un signal pulsé à la même fréquence que le faisceau est retrouvé. Toutefois, au lieu d'une absorption, c'est une amplification de signal qui est observée. Cela prouve bien que s'il y a absorption, elle est très faible devant le signal de luminescence produit par le faisceau. Il est donc propice d'envisager un profileur de faisceau optique avec un système d'absorption sur des niveaux métastables.

Ces tests préliminaires avaient pour but de démontrer la présence du processus d'absorption, au sein d'un accélérateur avec un faisceau de forte intensité. Pour aboutir au prototype du profileur optique, il faut déterminer quelle serait la raie la plus adéquate à l'absorption, afin de définir la longueur d'onde du futur laser utilisé.

Lampe seule Lampe + faisceau Pas de Faisceau. Ä ÄÄ Äpas d'absorption Faisceau Ä Ä Ä Äabsorption

Fig. VI.16 – Exemple d'absorption nulle pour la raie radiative 750.4 nm.

Dans le document Etude d'un profileur optique de faisceaux intenses de protons par absorption laser (Page 146-151)