Principe de l'imageur

Le schéma de principe de l'imageur est présenté gure I.16. Les électrons et les ions sont issus de l'interaction entre un faisceau laser et le jet moléculaire. L'interaction a lieu entre deux électrodes auxquelles sont appliquées des tensions. L'électrode du bas, de ré- pulsion permet de repousser les particules chargées vers le détecteur. Nous nommerons la tension qui lui est appliquée Vrep. La deuxième électrode est évidée pour permettre le pas-

sage des électrons (ou des ions en inversant les polarités), une tension Vf oc lui est appliquée.

La troisième électrode est à la masse. Dans les montages imageurs classiques [43], les centres des électrodes sont généralement des grilles, le but étant d'avoir des lignes de potentiel entre les deux électrodes les plus parallèles possibles pour projeter le nuage de particules chargées le plus uniformément possible vers le détecteur. L'avantage est d'avoir un mouvement dans

b_{graphite sous forme liquide}

le plan du détecteur indépendant du champ accélérateur. Cette conguration présente plu- sieurs désavantages. L'utilisation d'une grille limite le taux de transmission des particules (∼70% par grille). D'un autre côté, il faut avoir une grille la plus ne possible pour avoir des lignes de champ les plus homogènes. De plus lors de leur passage à proximité des ls déterminant la grille, les particules chargées voient leur trajectoire changée : cela se traduit par un "ou" sur l'image (gure I.16(a)). Enn, la distribution de position initiale va for- tement aecter la résolution de l'image : des particules émises avec des vitesses identiques en des point diérents de la source n'arrivent pas au même endroit sur le détecteur.

V_rep V_foc M C P E c ra n d e p h o s p h o re C a m é ra C C D L a s e r J e t m o lé c u la ire

Fig. I.16  Schéma de principe de l'imageur. Les images (a) et (b) sont tirées de [44]. L'image (a) correspond à un signal d'ion O+ _{mesurée en imagerie classique, i.e. avec une}

grille pour la deuxième électrode. L'image (b) a été obtenue avec la lentille de focalisation. Cette dernière est beaucoup plus nette.

Le montage d'imageur que nous avons adopté est celui décrit par Parker et al [44]. Il est dénommé par les auteurs "velocity map imaging", pour mettre l'accent sur le fait que c'est la distribution 3D des vitesses qui est imagée et non simplement le nuage des particules 3D. L'amélioration principale est due à l'utilisation d'une lentille électrostatique an de faire correspondre à chaque vecteur vitesse initial un seul point sur le détecteur et

ce quelque soit l'endroit d'où est émise la particule chargée entre les électrodes de répulsion et de focalisation. Un exemple d'images obtenues par les deux techniques est donné dans la gure I.16(a) et (b). On observe bien l'eet de focalisation : l'image (b) correspondant au montage avec lentille électrostatique est plus nette que l'image (a) (obtenue avec une grille), permettant de distinguer les cercles correspondant aux diérentes énergies ciné- tiques. La principale diérence avec les précédentes techniques d'imagerie est l'absence de grille. L'utilisation d'électrodes creuses permet de collecter 100% des particules émises. Le principe de fonctionnement de la lentille électrostatique est illustré par la gure I.17 tirée de [44]. Il s'agit d'une simulation de trajectoires d'ions ayant une énergie cinétique de 1 eV. L'extension spatiale de la source est simulée en considérant trois positions initiales pour les ions, la séparation entre les positions extrêmes étant de 3 mm. Pour chacune des positions, les auteurs ont considéré huit directions d'émissions, tous les 45◦_{, correspondant à une}

distribution isotrope des vitesses. Au plan "focal" de l'image, les trajectoires des particules

1 2 3 2

Fig. I.17  Simulation de trajectoires d'ions et lignes d'équipotentiel d'après [44]. associées à un même vecteur vitesse −→v sont toutes regroupées avec une largeur bien plus faible que la distribution initiale des positions (étalée sur 3 mm), d'un facteur ∼30. La focalisation s'entend ici dans un sens particulier. Il ne s'agit pas en eet d'avoir une image nette de la source mais de sa distribution initiale des vecteurs vitesse. La distribution en trois dimensions est ainsi projetée dans le plan du détecteur.

Les conditions de focalisation sont déterminées par les potentiels des électrodes de répulsion Vrep et de focalisation Vf oc, la dernière électrode ayant son potentiel à la masse.

Pour une distribution isotrope des vitesses, la projection sur le détecteur est un cercle dont le rayon R est proportionnel à l'énergie cinétique. La relation entre Ekin et le rayon

R est simplement liée au choix de la tension de répulsion Vrep :

Ekin = αR2Vrep (I.11)

où α est un coecient associé à la longueur du temps de vol. Cette relation implique que la résolution en énergie cinétique ∆Ekin s'améliore lorsque Vrep diminue. Pour une longueur

de temps de vol donnée, la tension Vrep détermine l'énergie cinétique maximale détectable :

plus Vrep est élevée et plus on pourra détecter des énergies cinétique élevées. En eet, nous

mesurons l'extension spatiale du nuage de particules chargées au niveau du détecteur. Cette extension sera d'autant plus grande que l'énergie cinétique est élevée ; toutefois il faut que l'extension du nuage soit plus petite que la taille du détecteur (de 4 cm de diamètre). Donc, moins on laisse le temps au nuage de s'étendre, i.e. plus on applique une tension élevée, et plus grandes seront les énergies cinétiques détectables. Toutefois la résolution se détériore lorsque Vrep augmente.

L'énergie cinétique maximale détectable est déterminée par la taille du détecteur (4 cm de diamètre), la longueur du temps de vol (41,7 cm) et la tension Vrep (±6 kV

maximum). Elle est de 6 eV dans notre montage.

Au delà de 30 cm de longueur du temps de vol, la focalisation sur le détecteur est indépendante de l'angle d'émission initial des photoélectrons (ou des ions) : on aura la même largeur résiduelle des trajectoires émises suivant les directions x et y (trajectoires 1 et 3 de la gure I.17) au plan focal.

La focalisation est déterminée par la géométrie de la lentille électrostatique. Le dia- mètre intérieur de l'électrode de focalisation est de 2 cm pour un diamètre extérieur des électrodes de 7 cm. La focalisation proprement dite est assurée par les lignes de champ non-parallèles au voisinage de Vf oc. La condition de focalisation est donnée par

Vrep =

Vf oc

F (I.12)

Elle est obtenue sur notre montage pour F = 1, 34 (à comparer à 1,41 dans [44]). Le coecient F est obtenu en xant Vrep et en faisant varier Vf oc jusqu'à ce que l'image

observée soit la plus nette sur le détecteur. L'utilisation de la lentille électrostatique a aussi l'avantage d'agrandir légèrement l'image (comparée au montage imageur avec grille). Cela implique par contre une diminution de la plus grande énergie cinétique détectable. Ainsi, si la position du point focal du laser n'est pas changée, et si le rapport F = Vrep

Vf oc est

gardé constant, le seul paramètre variable est la tension de répulsion Vrep qui permet de

choisir le grandissement de la lentille électrostatique. De plus pour imager les ions il sut simplement de changer les polarités des tensions.

D'un jour sur l'autre, le point de focalisation du laser peut légèrement varier. Cepen- dant, un déplacement vertical de ∼ ±0,2 mm n'entraîne qu'une variation de 30 V de Vf oc

pour une tension Vrep donnée, facilement détectable. La sensibilité de la focalisation en

position verticale de la source est minimisée au maximum en ayant un jet moléculaire de plus petit diamètre possible (< 3 mm). Pour ne pas perdre trop rapidement en densité de jet, la distance buse-zone d'interaction est gardée la plus petite possible (voir partie 2.2).

La résolution est entre autre déterminée par la résolution spatiale du détecteur, soit en dernière instance la taille des impacts lumineux sur l'écran de phosphore et celle des pixels

de la caméra. An d'augmenter la résolution des images lorsque l'énergie des particules est faible, il est possible de rajouter sur le temps de vol une deuxième lentille électrostatique qui permet d'agrandir la taille de l'image et donc de gagner en résolution. Des énergies aussi basses que 10 meV ont ainsi été détectées [45].