Tout d’abord, l’originalité du dispositif est de coupler les performances d’un instrument de spectrométrie de masse à résonance cyclotronique ionique à transformée de Fourier (FTICR-MS) avec un environnement cryogénique. La technique FTICR-MS présente de nombreux avantages. D’une part, elle comprend une cellule à résonance cyclotronique ionique où les espèces (ionisées) peuvent être maintenues piégées sur des temps longs (de l'ordre de la dizaine de minutes) sous l’action de champs magnétique et électrique conjugués (cf. § 2.3.3) et isolées des collisions avec le gaz résiduel grâce à un
vide de l'ordre de 10-11 mbar à froid. D’autre part, une spectrométrie de masse intrinsèque
très performante (sensibilité, sélectivité et haut pouvoir de résolution) permet d’analyser au cours du temps la composition physico-chimique d’un même échantillon de manière non destructive (cf. § 2.3.3). Il est possible au contraire de détruire une population en l’excitant sélectivement hors du piège.
En plus de l’information de masse, la structure d'une espèce piégée peut être caractérisée par deux approches complémentaires: la fragmentation et la réactivité. La mesure de la cinématique de fragmentation est fondamentale pour connaître la structure et les énergies de liaison. Cette fragmentation peut être induite, soit par collisions des ions entraînés dans leur mouvement cyclotronique avec un gaz tampon, soit par absorption de photons dans l’UV, le visible ou l’infrarouge (en général, plusieurs photons sont nécessaires pour atteindre le seuil de dissociation ; technique dite de dissociation multi- photonique).
L’expérience PIRENEA est équipée de plusieurs interfaces et sous systèmes détaillés ci-dessous tels qu’un aimant supraconducteur (5 T), une enceinte à ultravide comprenant des écrans cryogéniques, un laser d’ablation (Nd: YAG) pour la production des ions (cf. § 2.3.1.1) et une électronique d’excitation et de détection (cf. § 2.3.3). D’autres dispositifs sont couplés à la partie centrale de l’expérience afin de permettre des études de physico-chimie (photodissociation, réactivité chimique…) et de spectroscopie: laser accordable, lampe spectrale et injecteur de gaz (Chapitre 3). Des photographies de l’expérience ainsi qu’un schéma du dispositif PIRENEA sont présentés respectivement dans les figures 2.2 et 2.3 pour illustrer mes propos.
Équipement ultravide, Environnement cryogénique
Le piège à ions, cœur du dispositif, est contenu dans une enceinte à vide. L’ultravide de l’enceinte (d’un volume total de 34.6 l) est obtenu par un groupe de pompage. Le choix des pompes a été guidé par les contraintes d'ultravide. Une pompe primaire biétagée à palettes (Pfeiffer) crée un vide primaire de l’ordre de 10-3 mbar mesuré par une jauge Pirani. Le vide secondaire est obtenu par utilisation d’une pompe turbomoléculaire (Pfeiffer) et mesuré par une jauge Penning à cathode froide (gamme de pression entre 10-3 et 10-11 mbar).
Enfin, deux écrans thermiques montés dans l’enceinte à vide et refroidis par les deux étages d’un cryogénérateur à détente d’hélium (Coolpak, Leybold) permettent d’obtenir des températures basses au niveau du piège à ions et un pompage cryogénique supplémentaire. L’écran externe atteint en moyenne une température de 80 K tandis que l’écran interne descend jusqu’à 35 K. Ces basses températures permettent d’améliorer la qualité du vide à l’intérieur de la cellule par condensation des molécules résiduelles sur les parois froides (le cryopompage n’est cependant efficace que pour des espèces ayant une pression de vapeur saturante suffisamment élevée). De plus, l’obtention d’un bon vide requiert un choix des matériaux scrupuleux et un nettoyage rigoureux de chaque élément introduit dans l’enceinte de PIRENEA (procédure de nettoyage avec cuve à ultra sons et alcool), ainsi qu’un étuvage de l’enceinte après une remise à l’air.
À ce jour, les performances de la mise en froid du dispositif sont donc de 35 K pour
un vide résiduel de l’ordre de quelques 10-11 mbar (alors qu’il est de l’ordre 10-9 mbar à
300 K). Les conditions d’ultravide atteintes permettent de considérer que les collisions entre les ions piégés et le gaz neutre résiduel sont suffisamment rares pour ne pas perturber les phénomènes observés. Chaque ion peut être considéré comme isolé. Ainsi, les espèces piégées soumises à aucune perturbation de leur environnement, peuvent alors par exemple être irradiées par des photons UV/visibles pour étudier leur photodissociation en compétition avec l'émission IR. En effet, un calcul simplifié du libre parcours moyen d’une molécule de coronène (C24H12) piégée dans un environnement tel que T = 300 K et
P = 10-8 mbar, montre que le taux collisionnel es t de l’ordre de 1 collision chaque 10 secondes. Ce taux est assez faible pour permettre l’étude des phénomènes de photophysique dont les temps caractéristiques sont autour de 1 s.
Interface photophysique
L’interface photophysique de PIRENEA permet d’étudier les échanges radiatifs (absorption électronique, émission IR) en compétition avec les processus de fragmentation. Pour cela, nous disposons d’une lampe à arc Xénon de puissance 150 W (modèle Photomax 60100, Oriel) dont le rayonnement (∼ continuum UV-Visible) est focalisé au centre de la cellule de piégeage par un miroir elliptique hors d’axe et peut être sélectionné
par des filtres colorés refroidis. La deuxième source qui équipe l’interface photophysique est un laser accordable entre 400 nm et ∼ 2 µm (laser OPO, Continuum) permettant ainsi la caractérisation du spectre électronique des espèces piégées. Dans un futur proche, l’installation d’une source VUV (10.5 eV) permettra d’étudier la photodissociation induite par un photon VUV unique (cas interstellaire) et non par absorption successive de plusieurs photons UV-Visible (cas actuel du chauffage avec la lampe à arc Xénon ou le laser OPO dans PIRENEA). En effet, dans le milieu interstellaire, les PAH absorbent un à un les photons UV des étoiles, le temps caractéristique entre l’absorption de deux photons étant en général beaucoup plus long que le temps de relaxation par émission infrarouge (Joblin & Mulas, 2008).
Interface chimie
L’injection contrôlée de gaz et de vapeurs neutres (ex: H2O) dans l’enceinte de
PIRENEA permet d’ouvrir un autre domaine d’étude centré sur les réactions ion/molécule, études qui peuvent être combinées dans PIRENEA avec l'étude de la photodissociation du produit de la réaction. La difficulté des expériences menées à froid (∼ 35 K) reste cependant la condensation du gaz injecté sur les écrans cryogéniques y compris le piège.
Une description détaillée de l’aménagement de cette interface chimie, les solutions envisagées pour remédier au problème du collage sur les écrans froids ainsi que la procédure de calibration indispensable pour extraire des taux de réaction à partir des résultats expérimentaux font l'objet des Chapitres 3 et 4.
Détection de fuites
Un spectromètre de masse de type quadrupôle (QMS 200, Balzers) placé sur l’enceinte à vide permet de détecter les éventuelles fuites du système à vide. Le spectre de
masse des gaz de l’enceinte révèle la présence d’une fuite si le rapport N2/O2 mesuré est
celui de l’air (N2/O2 ∼ 4). Un gaz traceur tel que l’hélium qui possède une bonne qualité de
diffusion (faible taille) est alors utilisé pour localiser la fuite. Injecté au contact des brides, l’hélium s’infiltre alors rapidement dans l’enceinte et est aussitôt détecté par le spectromètre de masse.
Mobilité du système
L’ensemble du dispositif (enceinte, écrans, piège, cible…) se déplace sur des rails, et pénètre dans l’entrefer d’un aimant fixe (un supraconducteur non blindé de 5 T, Oxford Instrument) facilitant ainsi l’étuvage du dispositif. La photographie de l’expérience (Figure 2.2) montre l’ensemble du dispositif expérimental entièrement rentré dans l’aimant.