Contributions à l'étude expérimentale de l'hélium-3 liquide polarisé

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Contributions à l’étude expérimentale de l’hélium-3

liquide polarisé

Bérengère Villard

To cite this version:

Bérengère Villard. Contributions à l’étude expérimentale de l’hélium-3 liquide polarisé. Matière Condensée [cond-mat]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 1999. Français. �tel-00011770�

DÉPARTEMENT

DE

_PHYSIQUE

DE

L’ÉCOLE

NORMALE

SUPÉRIEURE

LABORATOIRE KASTLER

BROSSEL

THÈSE

DE

DOCTORAT

DE

L’UNIVERSITÉ

PARIS

VI

spécialité :

Physique Quantique

présentée

par

Bérengère

VILLARD

pour

obtenir

le titre de

Docteur de

l’Université

Paris VI

Sujet

de la thèse :

CONTRIBUTIONS

A

L’ETUDE

EXPERIMENTALE

DE

L’HELIUM-3

_LIQUIDE

POLARISE

Soutenue le 06

_juillet

1999 devant le

_{jury composé}

de :

Mme

C. LHUILLIER

Présidente

M.

M. CHAPELLIER

_Rapporteur

M.

P.E. WOLF

_Rapporteur

M. P.

LABASTIE

Examinateur

DÉPARTEMENT

DE

_PHYSIQUE

DE

L’ÉCOLE

NORMALE

SUPÉRIEURE

LABORATOIRE

KASTLER

BROSSEL

THÈSE

DE

DOCTORAT

DE

L’UNIVERSITÉ

PARIS

VI

spécialité : Physique Quantique

présentée

par

Bérengère

VILLARD

pour

obtenir

le titre

de

Docteur de

l’Université

Paris VI

Sujet

de la thèse :

CONTRIBUTIONS

A L’ETUDE

EXPERIMENTALE

DE

L’HELIUM-3

_LIQUIDE

POLARISE

Soutenue le 06

_juillet

1999 devant le

_{jury composé}

de :

Mme C. LHUILLIER

Présidente

M. M.

CHAPELLIER

_Rapporteur

M.

P.E. WOLF

_Rapporteur

M. P.

LABASTIE

Examinateur

REMERCIEMENTS

Le travail

_présenté

dans ce mémoire a été mené au laboratoire Kastler-Brossel de l’Ecole Normale

Supérieure

Je remercie Michèle Leduc de

_m’y

avoir

_accueillie,

me

_permettant

ainsi de bénéficier

d’un environnement

_{scientifique exceptionnel.}

Je tiens à remercier ici tous les membres du _groupe

_{hélium ; passés,}

Eric

_Stoltz,

Benoît Demolder

et Peter

_Gruter,

et

_présents,

_Jacques

_Dupont-Roc,

Xavier

_Müller,

Emmanuel

_Courtade,

Nathalie

Piegay,

Karen

_Sauer,

Geneviève Tastevin _qui a

guidé

mes

_premiers

_pas dans la

recherche,

et Pierre-Jean

_Nacher,

mon directeur de thèse. dont

_j’ai

_pu

_apprécier

la très

_grande

culture

_scientifique

et la

profonde compréhension

de la

_physique

Je remercie

_{particulièrement}

le

_professeur

Jean Brossel _pour l’interêt

_qu’il

a manifesté _pour mes

travaux.

La réalisation des

_expériences

doit

_beaucoup

à la

_compétence

de tous les

_ingénieurs

et techniciens du

_{laboratoire ,}

_je ne _peux citer tout le monde tant est

_longue

la liste de celles et ceux sans

_lesquels

ce travail n’aurait _pas été

possible

Les cellules

expérimentales

ont été réalisées pas

Guy Flory

à

qui

je rends

hommage

ici _pour sa

_gentillesse,

sa minutie et son savoir-faire. Le

_cryostat

et de nombreuses

pièces

"vitales" ont été réalisés à l’atelier de

_mécanique

du

_laboratoire,

_{particulièrement}

par Jean

Outrequin

et Jean-Claude Guillaume, que

je

tiens à remercier _pour leur

_patience

à

_{m’enseigner}

l’utilisation du tour et de la fraiseuse .

Je remercie

également

Claire

Lhuillier,

Maurice

Chapellier,

Pierre-Etienne Wolf et Pierre Labastié

pour l’interêt

qu’ils

ont manifesté à

l’égard

de cette thèse en

_acceptant

de

participer

au

_jury

de

soutenance

Table des Matières

1

_{Montage expérimental}

7

1.1

_Préparation

_{d’un gaz d’hélium-3}

_polarisé

... 7

1.1.1

_Pompage

_optique

de l’hélium-3 ... 7

1.1.1.1

_{Principe ...}

7

1.1.1.2 Conditions

expérimentales optimales

... 9

1 1 1.3 Source laser ... 10

1 1 1 4 Détection _optique de la

_{polarisation ...}

13

1 1 2 Les doubles cellules ... 15

1 1 2 1

_{Caractéristiques}

_{géométriques}

... 16

1.1.2.2 De l’intérêt du _gros réservoir ... 17

1.1 2.3

_Remplissage

des cellules ... 18

1.124 L’enduit de césium ... 20

1 2

_Description

du

_{réfrigérateur}

à hélium-3 ... 20

1.2.1 La _partie

_{hélium-4/azote}

... 21

1.2 1.1 Vase

_cryogénique

... 21

1.2.1.2 La boîte à vide ... 22

1.2.1.3

_{Le pot à hélium-4 ...}

24

1 2.2 Le

_{réfrigérateur}

à hélium-3 ... 25

1 2.3

_Dispositif

de thermalisation de la cellule en verre ... 28

1 2.4 Mesures des

_{températures}

... 28

1.3 Détection

_{radioélectrique}

de l’aimantation ... 31

1.3.1 Le

_{champ magnétique}

_{statique Bo}

... 31

1.3.1.1 Production d’un

_{champ magnétique}

statique

... 31

1.3.2 Le

_dispositif

RMN ... 35

1.3.2.1 Procédure ... 35

1.3.2.2 Les bobines inductrices ... 35

1.3.2.3 Le circuit de détection ... 37

1.3.2.4 Le

_dispositif

_{électronique}

... 38

1.4 Caractérisation du

_montage

_{expérimental}

... 39

1.4.1 Caractérisation du nouveau

_cryostat

... 39

1.4.1.1

_Température

limite ... 39

1 4.1.2 Inertie

_thermique

... 39

1 4 1.3 Stabilisation en

température

... 40

1 4 2 Caractérisation du

_liquide

par résonance

magnétique

nucléaire ... 40

1.4.2.1

_Principe

de mesure de la

polarisation

du

_liquide

... 40

1.4.2.2 Résultats d’une

_{expérience typique}

... 43

14.3 Conclusion ... 49

2 Etude

_{expérimentale}

de

_{l’équilibre liquide-vapeur}

de l’hélium-3

_{liquide polarisé}

50 2 1 Etude de l’hélium-3

_{polarisé ...}

51

2.1.1 L’hélium-3 _gazeux à basse

_température

... 51

2.1.2

_{L’hélium-3 liquide ...}

52

2 2 Pression de _vapeur saturante de l’hélium-3

liquide polarisé

... 54

2 2.1 Formalisme ... 55

2 2 2 Résultats détermination des

_{diagrammes d’équilibre}

_P

_sat

_(T,M)

... 55

2 3 Mise en oeuvre

expérimentale

... 58

2 3 1 Evolution

_temporelle

de la

_pression

de vapeur saturante ... 58

2 3 2 Mesure de la pression de vapeur saturante

"point

par

point"

... 60

2 4 La

_jauge

de

_pression

... 62

2 4 1

_Principe

de fonctionnement ... 63

2.4 2 Réalisation de _{la jauge} de pression ... 65

2 4.3 Influence du bouchon ... 71

2 4 4

_Etalonnage

du _capteur ... 74

2.5 Cellules d’helium-3 avec _capteur à 4 K

Description

Premières

expériences ...

77

2 5 1

_{Préparation ...}

77

2 5 2 Première cellule ... 77

2.5 3 Deuxième cellule ... 78

2.5.5 Cellule à robinet et à

_{capteur ...}

80

2.6 Cellules d’hélium-3 munies d’un

robinet,

avec

_capteur

à 300 K ... 80

2.6.1 Cellule seule ... 80

2.6.2 Modification des

_capteurs

de

_{pression ...}

81

2.6.3 Mesure de

_pression

à

_température

ambiante ... 83

2.6.4 Procédure

_{expérimentale ...}

84

2.7 Résultats

_{expérimentaux ...}

90

2.7.1 Variation de

_pression

lors de la destruction de l’aimantation ... 92

2.7.2

_{Caractéristiques}

du

_signal

mesuré ... 93

2.7.3

_Comparaison

aux résultats antérieurs ... 95

2 8

_{Interprétation}

en termes de transformation

_adiabatique

... 96

2.8 1 Variation de

_pression

isotherme dans le cas d’un

_liquide

_peu

_{polarisé ...}

98

2 8 2 La transformation

_adiabatique

... 99

2 9 Retour sur les résultats

_{expérimentaux :}

effet isotherme ... 104

2 10 Une nouvelle

_{configuration}

pour tester cette

_{interprétation}

... 104

2 10.1

_Description

de la nouvelle cellule

_{expérimentale}

... 105

2.10.2 Résultats

_{expérimentaux}

_{préliminaires}

... 106

2 10 3

_Mélange

_{hélium-3/hélium-4}

... 108

2 11 Conclusion ... 110

3 Etude d’un

_mélange

112 31 Introduction ... 112

3 1 1 Motivations ... 112

3 1 2 Prédictions

_théoriques

... 113

32

_{Description -}

Cellule à

_mélange

... 114

3.2 1

_Proportions

en

hélium-3/hélium-4

... 114

3 2.2

_Quantités

d’hélium ... 115

3 3 Mesure du _temps de relaxation

_longitudinal

T

1

... 115

3 4 Détermination de _xliq ... 116

3 4 1

_Principe

... 117

3 4.2 Géométrie de la cellule. Volumes effectifs ... 117

3.4.3 Carte de

_{température.}

_Hystérésis

... 118

3 4 4 Modèle

_numérique.

Première

_approche

... 119

3.5 Caractérisation de la vapeur. Mesures

optiques

à

température

ambiante ... 122

3.5.2 Mesure de la

_proportion

x d’hélium-3 dans la _vapeur ... 130

3.6 Effet HEVAC ... 140

3.6.1 L’effet HEVAC dans les

_mélanges

_{hélium-3/hélium-4}

... 140

3.6.2 L’effet HEVAC et la carte de

_température

... 140

3.7 Détermination de _xliq. Modèle "amélioré" ... 141

3.8

_Analyse

des résultats ... 144

3.9 Conclusion ... 144

4 Instabilités RMN dans l’hélium-3

_liquide

fortement

_polarisé

148 4.1 Introduction ... 148

4.2

_Rappel

du

_montage

_{expérimental}

... 149

4.3 Etude

_qualitative

du _spectre de Fourier ... 150

4.4 Effets du

_couplage

au circuit de détection ... 152

4.5 Résultats

_{expérimentaux}

... 153

45.1

_Analyse

des données

_{expérimentales}

... 153

4.5.1.1 Mesure de

_l’angle

de basculement de l’aimantation ... 153

4.5 1.2 Caractérisation du taux d’amortissement

_1/T*

₂

_... 154

4 5.2

_Dépendance

en aimantation ... 154

4.5.3

_Dépendance

en

_angle

... 161

4.5.3 1 _remarques ... 162

4.5.4 Influence des

_gradients

de

_{champ magnétique}

... 162

4 5.5 Echos

_{de spins}

... 164

4 6 Tentative

_{d’interprétation}

des résultats ... 165

4 6.1

_Rappel

échantillon

_remplissant

un tube

_cylindrique

... 167

4.6 1.1 Modèle

_simple

du tube

_cylindrique

droit et infini ... 167

4.6.1.2 Modèle du tube

_{cylindrique long}

et étroit en forme de U ... 168

46.2 Echantillon étalé en film mince ... 168

4.6.2.1 Modèle

_simple

de la _nappe

_plane

et infinie ... 168

4 6.2 2

_Comparaison

aux

_expériences

... 170

4.6.2.3 Un modèle

_plus

raffiné ... 170

4.6.2.4 Evolution

_après

un

grand angle

de basculement ... 173

INTRODUCTION

Ce travail s’inscrit dans le cadre de recherches sur les fluides

_{quantiques polarisés}

et

_plus

partic-ulièrement sur l’hélium-3

_polarisé

à basse

_{température.}

Les deux

_isotopes

de l’hélium ont des

_propriétés

_{macroscopiques}

très

_{particulières}

à basse

température,

en

_particulier

l’absence de solidification à 0 K et basse

_pression.

Cette

_possibilité

de

_disposer,

à basse

_{température,}

de fluide d’hélium dont la

_pureté

est

_{exceptionnelle}

_permet

de réaliser des études

_{reproductibles}

et

_{significatives}

De

_plus,

l’hélium est constitué d’atomes

partic-ulièrement

_simples,

dont les interactions sont connues et les

_propriétés

bien

_{documentées,}

tant au niveau

théorique qu’expérimental. Enfin,

les deux

_isotopes

de l’hélium obéissent à des

_statistiques

quantiques différentes

_{(l’hélium-4}

est un

boson,

alors _que l’hélium-3 est un

fermion).

Un fluide

dense d’hélium-3 se _comporte en

_particulier

comme un

système

de Fermi

_{dégénéré,}

obéissant au

principe de Pauli.

La

_possibilité

de faire varier la

_polarisation

_{nucléaire de l’hélium-3}

_(qui

_{peut alors} être

con-sidérée comme un nouveau

_paramètre

_{thermodynamique),}

_{conjointement}

à l’obtention de basses

températures

(qui

rendent la

_longueur

d’onde

_thermique

de de

_Broglie

de l’ordre de la distance entre atomes ou de la

_portée

des interactions entre

_atomes),

doit

_permettre

l’observation

_{expérimentale}

d’effets liés à l’indiscernabilité des atomes

En

_effet,

à

_{l’équilibre thermodynamique}

et en l’absence de

_{champ magnétique,}

les _spins des

atomes d’hélium-3 sont orientés de

_façon

aléatoire Si l’on

_aligne

ces

_spins

_{entre eux,} on _peut tester

l’influence du

_principe

de Pauli sur les

_{propriétés macroscopiques}

du fluide d’hélium-3. Citons _par

exemple

la modification des

_propriétés

de _transport du fluide

_(étude

de la viscosité de l’hélium-3

polarisé..

),

l’effet de la

_polarisation

nucléaire sur les

_propriétés

du _gaz d’hélium-3

(observation

d’ondes de _spin, conduction de la

_chaleur...)

ou sur les

_{diagrammes d’équilibre}

liquide/vapeur

(mesure

de la _pression de _vapeur saturante de l’hélium-3

_{polarisé, présentée}

dans ce

mémoire).

Reste

_qu’il

faut être

_capables

de

_{produire expérimentalement}

de fortes

_{polarisations}

nucléaires

(de

l’ordre de 50

_%)

dans l’hélium-3

_liquide

Une

_techmque

_{de pompage}

_optique

dans _{le gaz}

l’obtention de forts taux de

_polarisation

_(jusqu’à

80

_%)

dans le _gaz d’hélium-3 à

_température

ambiante,

puis

dans le

_liquide

à basse

_température

et faible

_pression.

Il convient toutefois de mentionner les méthodes couramment utilisées _pour

_polariser

_{l’hélium-3,}

dont la méthode dite de "brute force"

_qui

_requiert

l’action

_conjuguée

de très basses

_{températures}

et de forts

_champs

magnétiques.

Ce

procédé

n’est efficace que pour l’hélium-3 solide ou en solution dans l’hélium-4

(pour

de très faibles

_{concentrations).}

Son domaine

_{d’application}

reste donc limité La méthode de fusion

_rapide,

_quant

à

_elle,

_permet

de

_fabriquer

_{transitoirement,}

à

_partir

d’un solide d’hélium-3

_polarisé,

de l’hélium-3

liquide

polarisé.

Dans tous les _cas, il

_s’agit

de méthodes nécessitant

l’emploi

de basses

_{températures}

et de fortes

_{pressions, qui}

donnent par

conséquent

des informations

complémentaires

des nôtres.

Notre travail a

porté

principalement

sur l’étude de

l’équilibre

liquide/vapeur

de l’hélium-3

polarisé

(chapitre 2)

Nous nous sommes interessés en fait à l’étude

expérimentale

de la

_pression

de _vapeur saturante de l’hélium-3

_polarisé,

_quantité

qui

dépend

fortement de la

température.

Il fallait donc un bon contrôle de la

température

de

l’échantillon,

ce

_qui

nous a amenés à utiliser un

cryostat

à hélium-3

_(décrit

dans le

_chapitre

₁₎

_{spécialement}

construit à cet effet. Nous commencons

d’ailleurs _par décrire la méthode d’obtention d’hélium-3

liquide polarisé

dans ce même

chapitre

1. Parallèlement à cette étude

_{thermodynamique}

de l’hélium-3 pur

polarisé,

nous nous sommes

intéressés aux solutions d’hélium-3 dans l’hélium-4

(chapitre 3)

Il

_s’agissait

en fait d’une étude

préliminaire

du

_temps

de relaxation

_{longitudinale}

_T

₁

dans les

_{mélanges .}

Enfin, l’obtention,

dans l’hélium-3 _{pur, de}

_signaux

RMN d’une

_grande

richesse nous a amenés à nous intéresser de

plus près

aux effets d’affinement

spectral

observés. Les résultats

expérimentaux

Chapitre

1

Montage

expérimental

1.1

_Préparation

d’un

_gaz

d’hélium-3

_polarisé

1.1.1

_{Pompage optique}

de l’hélium-3

1.1.1.1

_Principe

Il existe

_plusieurs

méthodes _qui

_permettent

de

_polariser

nucléairement l’hélium-3 en

_phase

_gazeuse.

La

_{plus simple}

dans son _principe est

_probablement

celle

_qui

consiste à refroidir le gaz dans un

champ magnétique

élevé ;

cependant,

dans un

champ

de 10 Tesla et à une

_température

de 1

_K,

la

polarisation

nucléaire

_{d’équilibre}

n’est _que de 1.55 % Il existe heureusement des méthodes

_plus

efficaces qui ne

_requièrent

_pas un

_champ

_magnétique

élevé.

Dans l’ensemble de nos

expériences,

la méthode retenue est celle du pompage

optique

"indirect"

via le niveau métastable

2

3

S,

mise au _{point par} F.D

Colegrove,

L.D. Schearer et G.K Walters

[Colegrove 63],

dont le _principe est le suivant dans la cellule

_qui

contient les atomes

d’hélium-3,

on entretient une faible

_décharge

haute

fréquence

_qui

peuple

divers états excités de l’atome

d’hélium-3. dont le niveau métastable

2

3

S

Le faisceau

polarisé

circulairement d’un laser est

envoyé

sur le _gaz,

_{parallèlement}

au

_champ

_magnétique

de

quelques

Gauss dans

lequel

il est

plongé

(voir

figure

11).

La

_longueur

d’onde du laser choisi est 03BB

_{= 1.08 03BCm}

_qui

_correspond

à la transition entre le niveau

2

3

S

et le niveau

2

3

P

(voir

figure

1.2).

On crée ainsi une orientation

_{électronique}

de ces états excités. Par

couplage hyperfin

au sein

Figure

1 1 Vue

_schématique

du

_dispositif

de _pompage

_optique

La cellule de verre contient de l’hélium-3 Une faible

_décharge

RF est créée

_grâce

à une haute tension

_appliquée

aux électrodes

externes La lumière du faisceau laser incident

_(03BB

=

1.08303BCm)

_est

polarisée

circulairement

par la lame _quart d’onde. La

_polarisation

de la lumière émise _par la

_décharge

est

_analysée

_par un

polarimètre

situé à un

_petit

angle

_par

_rapport

à la verticale

(axe

commun au faisceau laser et au

champ

magnétique)

Le miroir

placé

sous la cellule

_permet

d’augmenter l’absorption

du faisceau

Figure

1.2 Schéma des premiers niveaux de l’hélium-3. On a

indiqué

leur durée de vie ainsi que la

_longueur

d’onde de certaines transition.

atomes dans l’état fondamental

₁

₁

_S

₀

lors des collisions

_d’échange

de métastabilité

_(collisions

entre

les atomes _{respectivement} dans les états métastable et

_{fondamental).}

1.1.1.2 Conditions

_{expérimentales optimales}

Intensité de la

_décharge

Il _y a

compétition

entre 2 processus : d’une

part,

plus

la

_décharge

radio-fréquence

est _intense,

_plus

le niveau métastable

2

3

S

est

_{peuplé ;}

mais d’autre

_part,

une

décharge

intense

_génère

une

_grande

densité de

_{sous-produits}

(électrons, ions .),

ce

_qui

_augmente

le

nombre de collisions avec _perte d’orientation nucléaire

(une

collision entre un de ces

sous-produits

et un atome dans l’état fondamental _peut entraîner la

_perte

de l’orientation nucléaire de ce

_dernier).

Il faut donc trouver un _compromis entre une forte densité d’atomes métastables et une faible

densité de

_produits

de

_décharge

En

_pratique,

le pompage

optique

est

_plus

efficace _pour une

décharge

faible,

à la limite d’extinction

Température

Elle influence

principalement

le taux de collisions

_d’échange

de métastabilité. En

effet,

l’ordre de

_grandeur

de la section efficace de ces collisions diminue de

plus

de 2 ordres de

grandeur

entre 300 K et 4.2 K

_{[Nacher 85].}

Pour des raisons

_pratiques,

_{le pompage}

_optique

sera

réalisé à

_température

ambiante et non à

température

plus

élevée

(où

il a été démontré

qu’il

serait encore

_plus

efficace

[Nacher 87])

il est

_déjà

très

_performant

à 300 K.

Taux

_{d’impuretés}

dans la cellule Le

_temps

de vie radiative des atomes métastables

_(~

8.10

3

_s)

peut

être considérablement raccourci _par les collisions contre les

_impuretés

contenues dans la cellule. Pour limiter ce

phénomène,

toutes nos cellules sont

_{soigneusement nettoyées}

et étuvées ce

_qui

permet

d’avoir un taux

_{d’impureté}

inférieur à

10

-6

.

En _outre, toutes les

_impuretés

résiduelles condensables sont en

principe

absentes du volume de

pompage

optique :

nous verrons _par la suite que nos cellules s’étendent

_jusqu’à

des zones de très

basse

_{température,}

où les

_impuretés

sont

_piégées.

Densité d’hélium-3 Plus la densité d’hélium-3 est

_{faible, plus}

le

_temps

_{caractéristique}

de diffu-sion vers les

_parois

est

_rapide,

et _par

_{conséquent, plus}

le taux de destruction des atomes métastables

sur les bords de la cellule est

_important.

A forte

pression,

au

_contraire,

ce

_problème

n’est

plus

essen-tiel

_mais,

_{pour maintemr} une

_proportion

élevée de

_{métastables,}

il faut une

décharge

RF

énergique,

donc

_plus

relaxante

_qu’à

faible ou _moyenne

pression.

Il faut en fait un

compromis

entre un

peuple-ment efficace du niveau métastable et une relaxation

faible,

d’où une

_pression

_moyenne.

En

_définitive,

il a été montré

[Nacher 87]

_que le _pompage

optique

en bas

champ

magnétique

était efficace _pour une densité d’helium-3

_comprise

entre

3.10

15

et

3.10

17

atomes _par

_cm

₃

_,

ce

_qui

correspond

pour une

_température

de 300 K à une

_{pression comprise}

entre 0.1 et 10 Torr.

_L’optimum

d’efficacité se situe aux alentours de

_quelques

10

16

atomes _par

cm

3

,

c’est-à-dire une

_pression

de

l’ordre de 1 Torr à 300 K

1.1.1.3 Source laser

Contraintes

_Compte

tenu de la structure

_hyperfine

des niveaux

S

3

2

et

2

3

P

de

_{l’hélium-3,}

et des

règles

de sélection sur les nombres _quantiques, le _pompage

optique

sur l’hélium-3

_peut

être réalisé via 9 transitions

possibles,

nommées

C

1

,

,

2

C

..C

9

_par ordre

d’énergies

croissantes

(cf

figure

1.3).

Des études

_théoriques

et

_{expérimentales}

antérieures ont montré que l’aimantation maximale du gaz était obtenue avec les raies

C

8

et

_C

₉

_{[Nacher 87].}

Il convient donc d’avoir à notre

_disposition

une source laser dont la

fréquence

_puisse s’accorder avec les raies

C

8

et

C

9

.

Laser LNA Une telle source a été mise au _point au laboratoire

[Larat 91].

Il

s’agit

d’un laser

solide LNA

_(LNA

= La

MgAl

11

O

19

dopé

au

Néodyme )

pompé

_par des

lampes

au

_{krypton, qui}

délivre une _puissance de l’ordre de

quelques

Watt sur tout le

_spectre

de l’hélium. Sans élément

sélectif interne

_{(c’est-à-dire}

le barreau de LNA seul étant inséré dans une cavité courte entre miroirs

plans),

le laser émet un faisceau de

longueur

d’onde voisine de 1.08 03BCm, et de

largeur spectrale

100 GHz Il

_s’agit

donc en

premier

lieu de réduire cette

largeur

à la

largeur Doppler

des niveaux

Figure

1.3: Niveaux

₂

₃

_S

₁

et

2

3

P

de l’hélium-3 Structure

_hyperfine

et transitions

_C

₁

à

_C

₉

_pour l’hélium-3.

et

_C

₉

₎

Ceci est réalisé

_grâce

à l’introduction de deux étalons de silice dans la cavité

_optique

_(un

étalon dit

_"épais"

_{d’épaisseur}

1 mm, et un étalon dit "mince"

d’épaisseur

0.25 mm

(cf figure

1.4)).

L’effet

_Fabry-Pérot

des

_étalons,

_malgré

le faible coefficient de réflexion de leurs faces

_{(R ~}

4

_%),

est suffisant _pour affiner la raie Une

_légère

inclinaison _permet aux étalons

d’agir

comme éléments

sélectifs. L’accord en

fréquence

est réalisé _par contrôle de la

_température

de

_chaque

étalon.

Mais l’utilisation du laser LNA manque de

souplesse

et nécessite de

_fréquents

_réglages.

En

effet,

l’étalon mince utilisé

précédemment

étant

cassé,

nous n’avons _pas réussi à bien stabiliser le

laser au _moyen d’un nouvel étalon mince il se

produit

_{systématiquement}

un saut de mode aux

alentours de la

_longueur

d’onde cherchée C’est pourquoi nous avons

_largement

utilisé les diodes

lasers étudiées récemment au laboratoire dans le cadre du _pompage

_optique

_pour réaliser la

plupart

de nos

_{expériences ;}

ceci à

chaque

fois

qu’une

forte _puissances n’était _pas nécessaire.

Diodes laser Des diodes laser

_adaptées

au _{pompage optique} de l’hélium ont été récemment

développées

par

Spectra

Diode Laboratories

[Major 93] ;

elles

peuvent

délivrer une

_puissance

max-imale de 50 mW à la

_longueur

d’onde de 1.083 03BCm, avec une monochromaticité correcte

_(de

l’ordre de

_quelques

_MHz)

_grâce

à la

_technologie

DBR

_(Distributed

_Bragg

_Reflection).

La

_fréquence

d’une diode laser _peut être continûment accordée sur toute la structure

_hyperfine

Figure

1 4 Schéma de

_principe

du laser.

température

de la diode

_grâce

à un module à effet Peltier. On contrôle alors la

température

du

milieu

_{amplificateur}

_(que

constitue le matériau

_{semi-conducteur )}

en même

_temps

_que celle de la

cavité _optique

_(formée

_par le réseau de

_Bragg

situé à l’arrière de l’échantillon et la face avant de ce

même

_{échantillon) ;}

on

_peut

ainsi continûment accorder la

_longueur

d’onde de la

_diode,

sans saut

de

_mode,

au

_rythme

_moyen de 0 8

Å/K

Le faisceau émis est très

_{divergent ;}

il est collimaté au

moyen d’un

objectif

de focale 8 mm afin d’obtenir un faisceau _presque

parallèle,

couvrant une assez

grande

surface de la cellule de _{pompage optique}

_{(faisceau elliptique}

de 0.7x2

_cm

₂

₎

Le faisceau de sortie étant linéairement

_polarise

on utilise une lame _quart d’onde _pour obtenir une lumière

circulairement

_polarisée

Une étude des

_performances

du pompage

optique

par diode

laser,

réalisée au laboratoire

[Stoltz 96c],

a montré que cette

_technique

est très _{efficace bien que la}

_puissance

lumineuse soit modeste . des

_{polarisations}

nucléaires de l’ordre de 50

_{% peuvent}

être atteintes dans l’hélium-3

pur

(pour

des pressions comprises entre 0 4 et 1

_{6 Torr)}

En

_effet,

le _pompage

_optique

via l’état métastable

2

3

S

est un _processus fortement non

linéaire,

et des

_puissances

de l’ordre du milliwatt

peuvent donner des

_{polarisations}

_{significatives}

La

_simplicité

d’utilisation de ces diodes

laser,

_par

ailleurs peu

encombrantes,

disponibles

commercialement,

et peu chères en

comparaison

d’un laser

LNA,

nous a amenés à les utiliser à

chaque

fois

qu’une

forte

puissance

laser

(et

donc une forte

Amplificateur

à fibre Dans le cadre de

_l’Imagerie

par Résonance

Magnétique

développée

au

lab-oratoire,

et afin d’améliorer les

performances

de pompage

optique

avec diode

_laser,

un

amplificateur

à fibre

_(IRE-POLUS

YAM

_1083-500)

a été acheté. Il

_s’agit

d’une fibre de silice

_dopée

à

_{l’Ytterbium,}

qui

sert de milieu

_{amplificateur.}

Elle est

_injectée

_par une diode laser DBR communément utilisée au

laboratoire ;

ceci _permet à la fois de

profiter

de la finesse d’accord en

fréquence

de la diode et

en même

_temps

d’obtenir de

plus

grandes puissances

de sortie. La diode laser est

_couplée

à la fibre

au _moyen d’un collimateur.

Puis,

après amplification,

le faisceau est à nouveau collimaté. Pour

obtenir une

_polarisation

circulaire,

on fait

_précéder

la lame

_quart

d’onde d’un cube

_polariseur.

L’ensemble utilisé est _compact

_(250x150

mm

2

)

et ne nécessite

_qu’une

alimentation 9

V/

1.5

A,

ce

qui

est une amélioration

appréciable

en

_comparaison

du laser LNA

_{encombrant, qui}

nécessite

une alimentation 380V

triphasé/

20A et un circuit de refroidissement.

Cette nouvelle

_technique

a

permis

d’obtenir facilement une

puissance

disponible

de 0.5 W _pour le

pompage

optique,

et donc

_{d’augmenter}

nettement la

_polarisation

nucléaire

_(~45

%

dans l’hélium-3 _{gazeux à} 300

_K,

contre 20

%

avec une diode laser

seule ;

ces

résultats, plus

faibles _que ceux

annoncés

_plus

_hauts,

ont été obtenus dans la cellule

_{expérimentale, qui}

contient bien

_plus

de _gaz que les

petites

cellules

cylindriques

antérieurement

étudiées)

[Chernikov

97].

1.1.1.4 Détection

_optique

de la

_polarisation

La mesure de la

_polarisation

nucléaire obtenue par _pompage

_optique

dans un _gaz d’hélium-3 _peut

être réalisée en utilisant des méthodes

optiques

[Bigelow 92].

La

plus simple

de ces méthodes

consiste à mesurer le taux de

_polarisation

circulaire de la lumière _{émise par} le _gaz

_(voir

_figure

_1.1)

En

_effet,

une

décharge

étant utilisée _pour

peupler

l’état métastable

2

3

S

sur

_lequel

_opère

le _pompage

optique, différents niveaux excités sont

_peuplés

eux aussi et diverses raies

_spectrales

de l’hélium

sont émises par le gaz.

La

_polarisation

circulaire de la lumière émise _par la

_décharge

est

_analysée

au moyen d’un

nouveau

dispositif

_qui se substitue à

l’ancien,

_qui était constitué d’un

photomultiplicateur

et d’un

polarimètre

tournant continûment

_{[Laloe 70]}

Le

_dispositif

actuel

_{(cf figure 1.5),}

_{amagnétique, plus}

compact, et _qui ne nécessite _pas d’air

comprimé,

consiste en une lame

_quart

d’onde suivie d’un

cube

_séparateur

C La lame _quart d’onde est tournée d’un

_angle

45° par

rapport

aux cotés du cube

polariseur,

de sorte _que toute la lumière incidente

_polarisée

circulairement est soit

_transmise,

soit réfléchie à 90° par le cube

[Stoltz 96b]

La lumière

_provenant

de la

_région

centrale de la cellule à

_décharge

est focalisée sur 2

_photodiodes

D

t

et

_D

_r

Un filtre interférentiel.

_disposé

avant la lentille de

_{focalisation,}

sélectionne une raie

Figure

1

_{5 Principe}

de la détection

_{optique :}

les lentilles

_L

_t

et

_L

_r

focalisent

_l’image

du centre sur

les

_photodiodes

D

t

et

_D

_r

figure 1.2))

Les deux

_photodiodes

détectent donc

_{respectivement}

les

_composantes

de

_polarisation

03C3

+ et 03C3- de la raie sélectionnée.

Le taux de

_polarisation

lumineuse P _que nous souhaitons mesurer est :

où

_I(03C3

₊

₎

_{(respectivement}

I

₎₎

_-

_(03C3

est l’intensité de la lumière

_polarisée

_03C3+

_{(respectivement 03C3}

_-

₎

émise _par la

_décharge

Un circuit

_{électromque simple}

_permet

de mesurer directement des

_signaux

proportionnels

à la somme

_(03A3)

et à la différence

₍₀₃₉₄₎

des courants des 2

_photodiodes.

Dans le cas

idéal de

_composants

_{électromques}

et

_optiques

_parfaits,

le taux de

_polarisation

P serait

_simplement

donné _{par : P}

_{= 0394 03A3.}

En

_pratique,

divers

_défauts,

_qui ont été étudiés dans la thèse d’Eric

_Stoltz,

interviennent. Nous

en tiendrons

_compte

en

appliquant

un facteur 03B5 variant entre 0.93 et 0.96

_{[Stoltz 96a]}

tel _{que :}

e (P)

P

_{= 0394 03A3. On}

en déduit alors le taux de

_polarisation

nucléaire M de l’état fondamental par la formule suivante M = _a

(P)

x

_P,

où a

(P)

est un facteur

dépendant

de la

pression

d’hélium-3

[Bigelow 92]

1.1.2 Les doubles cellules

Notre méthode de

_préparation

d’un échantillon

_liquide

d’hélium-3

_polarisé

repose sur l’action

suc-cessive _{du pompage}

_optique

de l’hélium-3 en

_phase

_{gazeuse, qui}

_permet

d’accumuler des _noyaux

d’hélium-3 dans un état de

_spin

déterminé,

et d’un

refroidissement,

dont l’effet est _{de provoquer la}

liquéfaction

d’une

_partie

de l’échantillon.

Nous venons de voir _{que pour}

_plus

d’efficacité,

le _pompage

_optique

doit être effectué à 300 K. Il n’est _pas

_possible

dans ces conditions de refroidir la cellule de 300 K à 0.5 K en un

_temps

inférieur au _temps de relaxation de l’aimantation !

Figure

1 6. Schéma

_simplifié

de l’ensemble

_{expérimental.}

C’est pourquoi la méthode mise au _point de

_longue

date au laboratoire _pour

_préparer

l’échantillon d’hélium-3

_{liquide polarisé}

utilise une

_longue

cellule scellée

(cf figure 1 6)

[Tastevin 88].

Dans la

_partie

_supérieure

de la cellule

_{(volume A)}

que nous

appelerons

la

"tête",

et

_qui

est située à 300

K,

les atomes d’hélium-3 sont soumis au _pompage

_optique

Ils diffusent à travers un

_long

tube de verre via un _{gros réservoir}

(volume B) (sur

lequel

nous reviendrons

plus

loin)

vers le bas

de la cellule scellée

_{(volume C),}

volume destiné à contenir l’hélium-3

_{liquide polarisé.}

Le bas de la cellule est ancré

_{thermiquement}

au

_point

froid du _cryostat à hélium-3. C’est ce volume _que nous

désignerons

par la suite sous le nom de "cellule

expérimentale".

1.1.2.1

_{Caractéristiques}

_{géométriques}

Les

_{premières expériences}

_portant

sur la mesure de la

_pression

de _vapeur saturante ont été effectuées dans des cellules scellées

_(cellules

_n°1,

2 et

_3).

_Puis,

devant les

_problèmes

de contamination du gaz

auxquels

nous avons été

confrontés,

ces cellules ont été

_légèrement

modifiées _pour

_permettre

le

changement

du _gaz

_{d’hélium-3 ;}

nous avons muni leur tête d’un robinet en _pyrex

_graissé

à

_l’apiezon

H dont nous savions _par

expérience qu’il

ne

_gênait

_pas le _pompage

_optique

_(cellules

n° 4 et

_5).

Quant

aux

_expériences

_portant

sur le

_mélange

_{hélium-3/hélium-4,}

antérieures aux connaissances

acquises

sur les cellules à

_robinet,

elles ont été réalisées dans une cellule scellée.

Figure

1.7 Schéma des doubles cellules utilisées.

Toutes ces cellules ont été

_fabriquées

en _pyrex

(cf figure 1.7) ;

elles

_comportent

un volume de

pompage optique à

_température

ambiante de forme

_cylindrique

de 5 cm de diamètre et 10.5 cm de

hauteur, un _gros réservoir

cylindrique

lui aussi, de diamètre 3.4 cm et de hauteur 30 cm connecté

à la _{tête par} un tube de diamètre intérieur 0.3 cm et de

_longueur

12 cm .

Sous le

réservoir,

la cellule se termine _par un

long

tube

scellé,

de diamètre intérieur 3 mm sur les

30 _premiers

_{centimètres,}

_{puis 4} mm sur les 7 derniers

_{centimètres ;}

cette

_augmentation

du diamètre

intérieur,

le diamètre extérieur restant _constant,

_permet,

en affinant la

_paroi

de _verre, d’améliorer

le contact

_thermique

entre l’hélium-3 contenu dans la cellule et le

_cryostat.

La

_longueur

totale de la cellule est de 90 cm

Les _quatre

_premières

cellules destinées à mesurer la

_pression

de _vapeur saturante de

_{l’hélium-3,}

2)

à la cellule

_{expérimentale.}

Nous verrons

plus

tard

(partie

2

toujours)

_que les

problèmes

de contamination du césium et du gaz d’hélium-3 ont été contournés en ne laissant

_plus

le

_capteur

de

_pression

dans la

_partie

basse

de la cellule

_(où

la

_présence

du bain d’hélium-4 le maintenait à

_température

_constante),

mais en le

reliant au "bec" formé sur la "tête" de la cellule _par le

robinet,

ce

_{qui présente}

_l’avantage

de ne le

laisser en contact avec le _gaz d’hélium-3 _que lors des

quelques

minutes _que dure une

expérience

de mesure de

_pression

de _vapeur saturante.

Enfin,

la cellule scellée contenant le

_mélange

_{d’hélium-3/hélium-4}

_possède

une cellule

expérimentale

en forme de boule de diamètre 6 mm et non _pas un

_simple

_cylindre

scellé.

1.1.2.2 De l’intérêt _{du gros} réservoir

On

_peut

_envisager

de

_polariser

le

_liquide

_par

_échange

diffusif avec le _gaz orienté

_optiquement

à

température

ambiante Mais le

_{déséquilibre}

entre les nombres d’atomes concernés est

_{grand :}

d’une _part, le _gaz soumis au _{pompage optique} à 300 K sous une

_pression

de l’ordre du Torr a une

densité

_égale

à

10

16

_at/cm

₃

_,

d’autre _part, les atomes situés dans la cellule

_{expérimentale}

à 0.5

K,

ont une densité de _vapeur voisine de

5.2.10

18

at/cm

3

et une densité

_liquide

de

1.7.10

22

at/cm

3

.

Quelle

que soit l’efficacité des transferts entre les différentes

_parties

de la cellule et entre

_liquide

et _gaz, on voit

_qu’il

sera

_impossible

de

_polariser

une

_quantité

suffisante de

_liquide,

_compte

tenu

de son

T

1

(

T

1

~5 mm _pour de l’hélium-3 _pur

liquide

autour de 500 mK et ~20 min _pour notre

mélange

hélium-3/hélium-4

dans cette _{même gamme} de

_{température).}

Il suffit _pour s’en convaincre d’estimer le _temps de diffusion à travers un tube de

longueur

30 cm et de faible diamètre

₍

4

_{mm )}

situé à basse

_température

₍

1 K _pour sa _partie basse à 20 K _pour sa

_partie

haute ) :

ce

_temps

est

de l’ordre de

_quelques

50 minutes

On choisit donc de

_polariser

le gaz en maintenant tout l’hélium-3 sous forme de _vapeur

(c’est-à-dire en maintenant le volume C à environ 1

_K),

afin

_{d’augmenter}

le nombre d’atomes dans les volumes utiles au _{pompage optique} et à la construction de l’aimantation dans le _gaz

_{(c’est-à-dire}

A et

_B),

_puis de le refroidir

_rapidement

_pour obtenir la condensation de l’hélium-3 là où on veut

étudier le

_{liquide polarisé}

_(volume

_C)

Pour

_augmenter

la _proportion d’hélium-3

_polarisé,

il faudrait soit maintenir la cellule

expérimentale

à une

_température

bien

supérieure

à 1 K

(mais

ce n’est _pas réalisable si l’on veut

refroidir

_rapidement

l’hélium-3 à 0 5 K par la

suite),

soit avoir un volume

susceptible

de contenir

des atomes d’hélium-3

_polarisés

_{plus grand}

C’est dans cette

_optique

_que nos cellules contiennent

un

_grand

réservoir

(B)

de gaz fortement

polarisé ,

il n’est en effet _pas

possible d’augmenter

la taille

Les atomes d’hélium-3 diffusent de la "tête" A vers B

(dont

la

température

est

comprise

entre

20 K _pour sa

partie

basse et 150 K _pour sa

_partie

haute)

en 2 minutes seulement. D’autre

_part,

le

gros réservoir est un

cylindre

de 3.4 cm de

_diamètre,

dans

_lequel

le

_temps

de relaxation

_longitudinal

T

1

vaut

_plusieurs

dizaines de minutes. Ces conditions

_permettent

d’accumuler du gaz d’hélium-3

_polarisé

dans le réservoir

_B,

lui-même très mal "connecté" à la cellule

_{expérimentale}

C : les

temps

caractéristiques

de diffusion entre B et C

_(le

tube situé entre B et C

_ayant

une

_température

comprise

entre 1 K et 20

_K),

de l’ordre de 50

min,

sont suffisamment

_longs

_{pour que} la construction de l’orientation nucléaire dans B ne soit _pas

gênée

_par la

_présence

de C.

On voit

_{qu’on dispose}

ainsi d’une

_grande

réserve d’hélium-3

_polarisé.

Il suffit alors de refroidir

rapidement

C

_jusqu’à

0.5 K _pour

_liquéfier

ces atomes d’hélium-3.

Après

les mesures, il suffira de réchauffer C pour

évaporer

le

liquide

condensé dans la cellule et

préparer

un nouvel échantillon.

P.J Nacher et G Tastevin ont montré l’efficacité de cette

_technique

de

_préparation

d’hélium-3

liquide polarisé

[Tastevin 92a]

ils ont _pu obtenir du

_liquide

_pur à 450

mK,

aimanté à 50

%.

Remarques

(i)

Les

_temps

de diffusion sont calculés en tenant _compte des

caractéristiques

géométriques

d’une

cellule

_type

et de la carte des

_{températures}

le

_long

de cette

_cellule,

mesurée

_{expérimentalement.}

(ii)

Cette même carte de

_température

nous

_permet

de calculer la

_proportion

d’atomes situés sous le _ventre, et donc non

polarisés

avant le refroidissement : elle est

_typiquement

de l’ordre de 10

%

pour une cellule à hélium-3 _pur et 20

%

_pour la cellule

hélium-3/hélium-4.

Ceci veut dire _que

l’aimantation maximale dans le

_liquide

sera de 90

%

(respectivement

80

%)

celle obtenue

initiale-ment dans le _gaz. Ces

_pertes

incontournables de l’aimantation lors du _processus de

_{liquéfaction}

sont tout à fait raisonnables

1.1.2.3

_Remplissage

des cellules

De nombreuses

_précautions

sont _prises au moment du

_soufflage,

_nettoyage et

_remplissage

des

cel-lules,

car il est nécessaire que la surface interne de la cellule soit initialement aussi _{propre que}

possible

en

effet,

les

_impuretés

de _type

magnétique

contenues dans le _pyrex

_peuvent

conduire à la _perte de l’orientation d’un atome

_lorsque

celui-ci rencontre une

_paroi.

Toutes les cellules scellées ont été

_remplies

_{par J}

_{Brossel, après}

_{plusieurs jours}

_d’étuvage

dans

un four à 200 °C sous vide

_poussé

_{(P ~}

10

-6

_mbar)

C’est la

_température

maximale _que nous

pouvons nous _permettre à cause de la

_présence

d’un réservoir de césium en verre connecté à la

cellule

₍

le réservoir permettra d’introduire une

petite

quantité

de césium dans la cellule

après

nettoyage de

celle-ci ,

son rôle sera décrit dans un

paragraphe

spécifique(

1.1.2.4

)).

Dans le cas

soumettre le _capteur à de _trop hautes

_{températures. Après étuvage,}

la cellule est

_remplie

d’hélium-3

_(autour

d’1

_mbar),

soumise à des

_décharges

hautes

_{fréquences ( GHz )}

_intenses,

et vidée. Cette dernière

_procédure

est

_{répétée plusieurs}

_{fois ;}

_puis

le césium est introduit dans la

_cellule,

suivi de l’échantillon gazeux d’hélium-3. La cellule est alors scellée.

Quant

aux cellules à

robinet,

elles ont été étuvées et

remplies

dans le laboratoire même : des

fils chauffants

_répartis

autour de la cellule et entourés de

_papier

aluminium maintiennent la cellule à une

_température

de l’ordre de 200 °C

(plutôt

_plus

au niveau de la

_tête,

et moins au niveau du

réservoir à

_césium,

du

_capteur

de

_pression

et du

_robinet),

sous vide.

Après

3 à 4

jours,

la

_pression

de

la _pompe étant inférieure à

10

-6

mbar,

la cellule est

_remplie

d’hélium-3

_(autour

d’1

_mbar),

soumise à des

_décharges

hautes

_fréquences

intenses et vidée

_plusieurs

_{fois ;}

_puis

le césium est introduit dans la

_cellule,

suivi de l’hélium-3. Le robinet de la cellule est alors

_fermé,

et la cellule détachée du banc de

_remplissage.

Les

_quantités

introduites

_répondent

à 2

_{exigences principales :}

d’une

_part,

comme on l’a _vu, le

pompage

optique

dans l’hélium-3 _pur est

_optimal

_pour des

_pressions

inférieures au

mbar ;

d’autre

part, la gamme de

températures disponibles

pour l’étude de l’hélium-3

liquide polarisé

et la quan-tité d’atomes d’hélium-3 dans la

_{phase liquide}

sont d’autant

_plus

_grands

_que le nombre d’atomes d’hélium-3

_présents

dans la cellule est

_grand.

C’est

_pourquoi

nous avons choisi de

remplir

nos

cellules d’hélium-3 _pur sous 4 Torr

_(cellules

n° 3 à

₅₎

ou sous 3 Torr

_(cellules

n° 1 et

₂₎

à

300K,

c’est-à-dire d’introduire

_{respectivement}

100

_03BCmol

ou 75

_03BCmol.

Les

_quantités

d’hélium-3 introduites au moment du

_remplissage

à

_température

ambiante sont

telles

_qu’elles

donnent,

lorsque

la cellule est

_placée

dans le

_cryostat

et _que tout l’hélium-3 est

maintenu sous forme de gaz

(la

_température

de la cellule

expérimentale

étant alors de 1

K),

de

bonnes conditions _pour le _pompage

_{optique :}

une _pression de

_remplissage

de 4 Torr

_correspond

dans nos conditions

expérimentales

(compte

tenu de la carte des

_{températures}

le

_long

de la

_cellule)

à une

_pression

de 0.9 Torr lors du _pompage

optique,

ce

_qui

est un bon

_compromis.

La

_{liquéfaction}

interviendra alors _pour une

température

du bas de la cellule de l’ordre de 630

mK,

ce

_qui

_correspond

à une _pression de _vapeur saturante de 0 72 Torr

_(égale

à la

_pression

de vapeur sèche pour la

température

considérée)

Le volume de l’échantillon

_liquide

sera de

quelques

mm

3

(environ

3

mm

3

)

à 500 mK

En ce

_qui

concerne la cellule à

_mélange

hélium-3/hélium-4,

dans

laquelle

nous avons seulement

cherché à mesurer le

_temps

de relaxation

longitudinal

T

1

et pour

laquelle

le pompage

optique

n’était pas

crucial,

270

03BCmol,

dont 20

%

d’hélium-3 ont été introduites. Ce

qui

correspond

à une

pression

totale

_acceptable,

de l’ordre de 2

_Torr,

_pour le _{pompage optique,} en même

_temps

qu’à

une

quantité

1.1.2.4 L’enduit de césium

Les interactions de Van der Waals attractives entre l’hélium et la

paroi

induisent des

_temps

de

séjour

en

_phase

adsorbée d’autant

_{plus longs}

_{que la}

_température

est basse. La relaxation sur les

parois

devient alors très forte à basse

_{température.}

Afin de diminuer les interactions de Van der

Waals,

et en raison de son caractère faiblement

liant,

un film de césium est

_déposé

sur les

_parois.

Le césium se substitue maintenant à

_{l’hydrogène}

moléculaire

_{précédemment}

_employé

dans ce but

[Tastevin 87] [Lefevre 85]

(les

deux

_techniques

utilisées sont très efficaces pour inhiber la relaxation des

_spins

nucléaires sur les _parois de la

cellule,

mais l’utilisation

d’hydrogène

moléculaire est

_plus

délicate à mettre en

oeuvre).

Comme nous l’avons vu

précédemment,

la cellule est scellée

_(ou

son robinet

fermé)

_{après qu’on}

ait introduit la

_quantité

déterminée d’hélium-3 ou

d’hélium-3/hélium-4,

ainsi

qu’une petite quantité

de césium. Le césium est fondu et mis en contact avec toutes les

_parois

intérieures de la cellule

(hormis

la "tête" de la cellule

_qui

sera maintenue à 300 K et où on ne craint donc pas la relaxation

sur les

parois),

avant d’être

_"rangé"

dans son

_petit

réservoir situé sur le côté du _gros réservoir B. Ce

traitement _permet le

_dépôt

d’un film très mince de césium sur les

_parois

de la cellule

_qui

demeure

transparente.

Un film très mince de césium est ainsi

_déposé

sur les

_parois

de la

_{cellule ;}

l’échantillon _gazeux

à basse

_température

n’est alors

_plus

en contact

_qu’avec

des

_parois

traitées au césium.

L’expérience

a montré _que ce

_type

de surface _provoque de faibles taux de relaxation de surface de l’aimantation

[Tastevin 92b].

1.2

_Description

du

_{réfrigérateur}

à

hélium-3

Des mesures

préliminaires

de _{pression de vapeur} saturante

_{[Tastevin 94]}

ont montré la nécessité de

disposer

d’un

_{réfrigérateur}

suffisamment stable en

_température

_pour des

_{températures}

voisines de

0 5 K En

_effet,

il

_s’agit

de mesurer la

pression

de _vapeur saturante en fonction de

l’aimantation,

à

température donnée ;

comme la

_pression

de _vapeur saturante du

liquide

varie très vite en fonction

de la

_{température,}

celle-ci doit être

_parfaitement

stable

_(à

une

_température

T de 480

mK,

un

écart de 1

_mK,

soit 0.2

_%,

_correspond

à un écart relatif en

_pression

de 2

%).

C’est

pourquoi

la

construction d’un nouveau

réfrigérateur

à hélium-3 a été

_entreprise

au laboratoire.

La

_principale

modification de principe

apportée

concerne la connexion

_thermique

de la

cel-lule . alors

_{qu’auparavant}

_{[Tastevin 87]}

la cellule

_trempait

directement dans un bain de

liquide

cryogénique

(hélium-3),

ce sont des fils de cuivre

_qui

vont maintenant assurer

l’ancrage thermique