Spe tromètre de masse à temps de vol

Stru ture du spe tromètre

La gure 3.12 représente la stru ture du spe tromètre à temps de vol utilisé dans les expérien es. Il est omposé de trois partie : la zone d'ex- tra tion ouzone d'intera tion, la zone d'a élération et la zone sans hamp éle trique. Les axes de propagation du laser et de déte tion sont orthogo- naux. Dans une en einte sous ultra-vide, sous une pression de vide résiduel de

p ≈

3

×

10

−10

Torr, lelaseretlesmolé ules interagissentdanslazoned'ex- tra tionde20mmdelongueuretdélimitéepardeuxgrillesàhautpouvoirde transmission(>90%)etde 80mmde diamètrereposant surdes supports de 120mmdediamètre.Leurdiamètreestalorssusammentgrandparrapport aupoint d'intera tion pour que le hamp éle trique

Fext

y soituniforme.

Fig. 3.12  Stru ture du spe tromètre de masse à temps de vol où appa- raissent lestrois zones d'extra tion, d'a élération etsans hamp éle trique. Lelieu de fo alisationdu laser est symbolisé par le symbole ZI.

Lesionssontalors envoyésdans lazone d'a élérationde 360mmdelon- gueur,permettantlalinéarisationdutempsdevoldesionsjusqu'audéte teur en fon tion de leur impulsion initiale, et la zone sans hamp de 783 mm de longueur. Le hamp éle trique uniforme d'a élération est engendré par 17 éle trodesplanesde 120mmde diamètre,espa éesde 20mmetper éesd'un trou de 4 à 10 mm de rayon en leur entre. Les rayons relativement petits des diaphragmes permettent de réaliser un hamp éle trique onstantsur la longueur de 360 mm. Par ailleurs, ils onduisent inévitablement à une dis- rimination angulaire des ions puisque seuls les ions émis dans la dire tion

par rapport à l'axe du spe tromètre est réglée grâ e à une lame

λ

/2. Les résultats présentés dans e manus rit utilisent une polarisation parallèle à l'axe.Ainsi,de mêmeque danslamodélisationthéoriqueunidimensionnelle, l'axedes molé ules etde lapolarisationsont onfondus.

Mesure des spe tres de temps de vol

L'a quisitiondu tempsde volest dé len héepar lesignal issud'une pho- todiode rapide qui donneainsi l'instantinitialde réation des ions déte tés. Letempsdevold'unionde masse

M

,expriméeenunitésdemasseatomique, de harge

Z

etd'impulsion initialenulle

−→p ≈ 0

s'é rit

T (M, Z, −→p = 0) =

κ

Uext1/2

r M

Z

,

(3.17)

où

κ

est une onstante dépendant de la géométrie du spe tromètre et

Uext

est la tension éle trique d'extra tion. Si

Uext

est exprimée en Volt,

κ

vaut 17950 ns.V

1/2

.u.m.a.

−1/2

pour le spe tromètre utilisé. La stru ture de e type de spe tromètre permet d'obtenir une linéarité entre le temps de vol etla proje tion sur l'axe du spe tromètre de l'impulsiondes fragmentsave une bonne pré ision. Cette linéarité provient de la relation pré ise entre les hampséle triques d'extra tion etd'a élération,dépendant de lagéométrie des zones on ernées [56℄.

Pourun iond'impulsioninitiale

−→p

,demasse M,etde hargeZ,letemps de vol devient

T (M, Z, −→p ) = T (M, Z, −→_{p = 0) −}

|−→p | cos θ

ZeFext

,

(3.18)

où

θ

est l'angle d'émission de l'ion par rapport à l'axe du spe tromètre,

e

la harge élémentaire et

Fext

l'intensité du hamp éle trique d'extra tion. L'équation 3.18 montre quela relation de linéaritépermet de remonter à la proje tion de l'impulsion initiale

|−→p | cos(θ)

sur l'axe du spe tromètre. Par ailleurs,la fortedis riminationangulairedue àla stru ture du spe tromètre demasseàtempsdevol,nedéte tantquelesmolé ulesayantunangle

θ ≃ 0

, permetdemesurerdire tementlemodule

|−→p |

del'impulsiondufragment.La gure 3.13 donne un exemple de tempsde volmesuré ave H

2

. Lastru ture en double pi visible pour les ions H

+

vient du fait qu'un fragment peut être émis soit vers le déte teur soit dans la dire tion opposée. En eet, le module de l'impulsiond'un fragment émis vers le déte teur vaut

p cos θ = p

et elui d'un fragment émis à l'opposé vaut

p cos θ = −p

. Comme le montre

Fig. 3.13  Exemple de spe tre de temps de vol obtenu par disso iation de molé ules H

2

par une impulsionlaser de durée 40fs.

pour une impulsion initiale nulle. Les fragments émis vers le déte teur sont appelésdire ts ouforwarden anglaisetindi és

f

. Lesfragmentsémis à l'opposé du déte teur sont appelés réé his ou ba kward en anglais et indi és

b

. Enn, es doubles pi s ne sont pas symétriques en intensité ar la divergen edesionsémisetlafortedis riminationangulairefontqu'unepartie plus importante de fragments réé his n'est pas déte tée. Les pi s des spe tresde tempsde vol issusdes es ionsréé his seront don d'intensité légèrement plus faibleque elle des des fragments dire ts, omme lemontre lagure 3.13.

Distribution d'énergie inétique des ions

L'équation 3.18 entre letemps de volet le module

p

de l'impulsiond'un fragmentpermetd'obtenirlespe tred'énergie

DE(E)

en fon tionduspe tre de temps de vol

DT(T )

suivant :

DT(T − T0)dT = DE(E)dE,

(3.19) où l'énergie

E

est donnée par

E = p

2

/2m

,

m

étant la masse du fragment onsidéré,et

T0

letempsdevolpour une impulsioninitialenulle. Onobtient

Fig.3.14Stru tureendoublepi desspe tresdetempsdevoldesfragments émis suivant l'axedu spe tromètre.

ainsi

DE(E) =

m

(qFext)2

1

|T − T0|

DT(T − T0),

(3.20) où

q = Ze

est la harge de l'ion. La gure 3.15 présente un exemple de distribution d'énergie inétique des protons issus de l'intera tion d'une im- pulsion laser intense ave H

2

. Les diérentes voies de fragmentation sont ensuiteidentiéespar laméthode statistiquedite de ovarian eprésentée au paragraphe 3.5.2.

Résolution en énergie du spe tromètre

D'après l'équation 3.18, l'in ertitude relative sur la mesure de l'énergie inétique des ions

∆E/E

provient de larelation

∆E

E

= 2

∆T

|T − T0|

,

(3.21)

Fig. 3.15  Exemple de spe tre d'énergie inétique de protons issus de l'in- tera tion de H

2

ave une impulsion laser intense. Le spe tre en trait noir représente le signal total des ions déte tés. Le spe tre en trait bleu est elui des protons appartenant à la voie H

+

+ H

+

déterminé par la méthode de ovarian e.

Cependant,ilfaut trouverun ompromis an de garderune bonnee a ité de olle tiondes fragments.

L'in ertitude

∆T

in lut le dé len hement de la mesure du temps de vol par la photodiode rapide,la bande passante et la période d'é hantillonnage de l'os illos opeainsi que la stabilité des alimentations de tension. Compte tenu de l'ensemble de es paramètres, l'in ertitude sur l'énergie inétique

∆E/E

est estiméeà

±5%

Dans le document Explosion coulombienne de H2 induite par une impulsion laser intense sub-10 fs (Page 57-61)