Premiers r´esultats

L’exp´erience de pompage optique en champ variable est mont´ee `a Cracovie depuis fin 2004. Nous avons effectu´e avec l’´equipe de T. Dohnalik les premi`eres mesures de pompage optique en faible champ magn´etique sur la raie C9, l’aimant supraconducteur n’´etant pas encore refroidi.

D´ebut 2005, l’aimant a ´et´e mis en route `a 1.5 Tesla. Les premi`eres mesures que nous avons effectu´ees sont assez encourageantes et les r´esultats obtenus s’ins-crivent dans la continuit´e des r´esultats d´ecrits dans le chapitre 5. Quelques unes de ces mesures nous ont servi pour la comparaison des r´esultats exp´erimentaux

et num´eriques du pompage optique `a 1.5 Tesla. Les r´esultats sont report´es dans le chapitre 6. Il s’agit des exp´eriences o`u nous ´etudions l’influence du d´esaccord de la fr´equence du laser pompe par rapport au centre d’une raie de pompage multi-transitions (paragraphe 6.2.3). Par ailleurs, comme le montage optique mis en place pour les exp´eriences de Cracovie permet de pomper et sonder les mˆemes atomes, il est possible de caract´eriser grˆace `a des mesures exp´erimentales la d´ependance de la densit´e de m´etastables vis `a vis de l’orientation ´electronique dans le niveau m´etastable hJ∗

Conclusion

Dans ce m´emoire, nous avons d´ecrit les r´esultats d’une ´etude exp´erimentale syst´ematique, accompagn´ee d’une mod´elisation th´eorique r´ealiste du pompage optique dans des conditions nouvelles de champ magn´etique intense et de forte pression.

Nous avons effectu´e des mesures de cin´etique de pompage et de polarisation dans des cellules scell´ees, contenant de l’h´elium-3 `a diff´erentes pressions. Nous avons explor´e l’efficacit´e du pompage optique `a 1.5 Tesla et avons d´etermin´e les conditions favorables au pompage optique.

Nous avons ainsi montr´e qu’un champ magn´etique suffisamment intense permet de polariser l’h´elium-3 `a haute pression : 0.56 de polarisation nucl´eaire `a 32 mbar contre 0.11 obtenue par pompage optique en faible champ magn´etique. Ce qui ´etend le domaine d’applicabilit´e du pompage optique par ´echange de m´etastabilit´e au domaine des fortes pressions.

Ces nouveaux sch´emas pour polariser nucl´eairement l’h´elium-3 ouvrent la voie, pour les applications m´edicales, au d´eveloppement d’un polariseur de gaz, simple, compact, compatible avec l’environnement hospitalier et op´erant `a forte pression et `a 1.5 Tesla. Ces sch´emas offrent deux avantages consid´erables par rapport au pompage optique standard `a faible pression et faible champ magn´etique : simplification de la proc´edure de compression (1 : 30 ou 1 : 15 au lieu de 1 : 1000) et simplicit´e de pr´eparation (moins de contrainte quant `a la qualit´e de la polarisation du faisceau pompe).

Par ailleurs, nous avons travaill´e sur la mod´elisation r´ealiste des processus intervenant dans le pompage optique `a 1.5 Tesla et aux fortes pressions. Cette mod´elisation nous a permis de comprendre les sp´ecificit´es du sch´ema de pompage en fort champ magn´etique, en particulier la comp´etition entre les divers processus.

`

A partir d’´equations correspondant aux populations de tous les sous-niveaux du 23S1 et du 23P, nous avons d´eriv´e un mod`ele `a 7 populations dans la limite des fortes pressions. Nous avons discut´e dans ce cadre les performances du pompage optique. De plus, nous avons ´ecrit des expressions analytiques du taux de pompage pour des fortes intensit´es laser et avons montr´e que les sch´emas de pompage `a 1.5 Tesla pr´esentent des limitations intrins`eques d´ependant de la pression et de la

polarisation du gaz.

L’´etude syst´ematique comparative des r´esultats exp´erimentaux aux pr´edictions num´eriques nous a permis de mettre en ´evidence une d´ependance de la densit´e d’atomes m´etastables vis `a vis de l’orientation ´electronique du gaz dans le niveau m´etastable. Cette variation, que nous avons aussi v´erifi´ee exp´erimentalement, peut ˆetre interpr´et´ee par une inhibition des collisions Penning auto-ionisantes.

De plus, les confrontations des mesures exp´erimentales aux pr´edictions num´eriques `a M = 0 nous ont permis d’expliquer les comportements particuliers des pom-pages multi-transitions. Ces mesures nous ont ´egalement permis de caract´eriser le rendement quantique des sch´emas de pompage optique `a 1.5 Tesla. En d´epit du d´ecouplage hyperfin, le pompage optique `a 1.5 Tesla conserve les propri´et´es in-trins`eques de haut rendement quantique du pompage par ´echange de m´etastabilit´e et en champ magn´etique faible.

Finalement, notre ´etude a mis en ´evidence des processus de relaxation de la po-larisation nucl´eaire pendant le processus de pompage optique. La modification de la relaxation de la polarisation en pr´esence du laser pompe a ´et´e observ´ee pour diverses intensit´es de d´echarge, puissances laser et pressions. Ces processus de re-laxation se sont av´er´es limitants pour les polarisations stationnaires obtenues et sont en partie responsables d’une diminution de la polarisation stationnaire au fur et `a mesure que la pression du gaz augmente. Nous avons observ´e une augmenta-tion de ces taux de relaxaaugmenta-tion avec la densit´e d’atomes dans l’´etat 23P. Toutefois, la d´ependance en pression est tr`es faible pour que nous puissions invoquer la for-mation de mol´ecules He^∗₂ m´etastables comme sugg´er´e par [Cou01]. `A ce jour, nous n’avons pas de processus clairement identifi´e qui pourrait expliquer la relaxation observ´ee. Afin d’obtenir une signature sp´ecifique, notre ´etude sera poursuivie par la caract´erisation de l’efficacit´e du pompage optique `a pression ´elev´ee en explorant d’autres valeurs du champ magn´etique. Nous pouvons de toute fa¸con en attendre la d´etermination de conditions encore plus favorables au pompage optique `a forte pression.

Annexe A

High nuclear polarization of ³He

at low and high pressure by

metastability exchange optical

pumping at 1.5 Tesla

Annexe B

Metastability exchange optical

pumping of helium-3 at high

pressures and at 1.5 Tesla :

Comparison of two optical

pumping transitions

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