Polarisation par pompage optique d'hélium 3 liquide pur ou en solution dans l'hélium 4, en dessous de 500mK

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Polarisation par pompage optique d’hélium 3 liquide pur

ou en solution dans l’hélium 4, en dessous de 500mK

Myriam Cornut

To cite this version:

Myriam Cornut. Polarisation par pompage optique d’hélium 3 liquide pur ou en solution dans l’hélium 4, en dessous de 500mK. Matière Condensée [cond-mat]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 1993. Français. �tel-00011886�

THESE

présentée

par

Myriam

CORNUT

pour obtenir le titre de

DOCTEUR

DE L’UNIVERSITE JOSEPH FOURIER - GRENOBLE I

(Arrêtés

ministériels du 5 Juillet 1984 et du 23

Novembre

₁₉₈₈₎

Spécialité : Physique

POLARISATION PAR

POMPAGE

_OPTIQUE

D’HELIUM

3

_LIQUIDE

OU

EN SOLUTION DANS

DE

L’HELIUM

_4,

EN

DESSOUS DE

500

mK

Soutenue le 24 Février 1993 devant la Commission d’Examen : Président : S. BALIBAR

P.J. NACHER L. PUECH J.M.

RAIMOND

G.

VERMEULEN

Thèse

_préparée

au Laboratoire de

Spectroscopie

Hertzienne de l’Ecole Normale

THESE

présentée

par

Myriam

CORNUT

pour obtenir le titre de

DOCTEUR

DE L’UNIVERSITE JOSEPH FOURIER - GRENOBLE I

(Arrêtés

ministériels du 5 Juillet 1984 et du 23 Novembre

₁₉₈₈₎

Spécialité : Physique

POLARISATION PAR

POMPAGE

_OPTIQUE

D’HELIUM

3

_LIQUIDE

OU

EN SOLUTION DANS

DE

L’HELIUM

_4,

EN

DESSOUS DE

500

mK

Soutenue le 24 Février 1993 devant la Commission d’Examen : Président : S. BALIBAR

P.J. NACHER L. PUECH J.M. RAIMOND G. VERMEULEN

Thèse

_préparée

au Laboratoire de

Spectroscopie

Hertzienne de l’Ecole Normale

INTRODUCTION GENERALE

PREMIERE PARTIE

CONSTRUCTION ET CARACTERISATION D’UN ENSEMBLE EXPERIMENTAL

POUR L’ETUDE DE D’HELIUM 3

_LIQUIDE

POLARISE

CHAPITRE I : PRELIMINAIRE ... 7

CHAPITRE II : PREPARATION D’HELIUM 3

_LIQUIDE

POLARISE PAR

POMPAGE

_OPTIQUE

... 11

II - A LE POMPAGE

_{OPTIQUE -}

RAPPELS ... 12

II-A.1)

PRINCIPE ... 12

II

_-A.2)

CONDITIONS EXPERIMENTALES

OPTI-MALES ... 13

a)

3

He

pur

b)

Mélanges

3

He-

4

He

II -

_A.3)

LE LASER ... 15

a)

Contraintes

b)

Dispositif optique

II -

_A.4)

DETECTION

_OPTIQUE

DE LA

POLARI-SATION ... 17

a)

3

He

_pur

b)

Mélanges 3

He-

4

He

II - B PREPARATION

d’

3

He

_LIQUIDE

POLARISE ... 18

II

_-B.1)

LES CELLULES ... 18

II

_-B.2)

PROCEDURE EXPERIMENTALE .... 19

II

_-B.3)

CONTACTS

_{THERMIQUES ...}

21

a)

Contact vers la dilution.

b)

Contact vers le

_pot

à 1 K

II - C REDUCTION DE LA RELAXATION NUCLEAIRE ... 24

II

_-C.1)

RELAXATION SUR LES PAROIS DE LA

CELLLULE ... 24

a)

Précaution pour la

partie

supérieure

de la cellule

b)

Solution pour la

partie

inférieure de la cellule

II -C.2)

RELAXATION EN VOLUME ... 26

CONCLUSION ... 27

CHAPITRE III : CRYOGENIE ... 29

III -A ENVIRONNEMENT DU REFRIGERATEUR A DILUTION .. 30

III

_-A.1)

INFLUENCE DES CONTRAINTES EX-PERIMENTALES SUR LA CONCEPTION DU

CRYOSTAT ... 30

a)

Introduction

b)

Précautions à

_respecter

III -A.2)

LA PARTIE

4

He - AZOTE ...

31

a)

Les vases

cryogéniques

b)

Importance

du niveau

d’

4

He

_{cryoghénique}

III -A.3)

LA BOITE A VIDE ... 32

III

_-A.4)

MESURES DES TEMPERATURES ... 33

a)

Etalonnage

des résistances

b)

Précautions à

_prendre

lors des mesures

III - B LE CRYOSTAT A DILUTION... 35

III -B.1)

PRINCIPE ... 35

III -B.2)

DESCRIPTION ... 36

a)

Le circuit de _pompage

b)

Le

_pot

à 1 K

c)

L’échangeur

de chaleur

III

_-B.3)

LA JAUGE A PRESSION

_{OSMOTIQUE .}

38

a)

Principe

b)

Utilisation

III

_-B.4)

PERFORMANCES DU REFRIGERATEUR

A DILUTION ... 42

a)

Réduction des

_pertes

_thermiques

b)

Résultats

CHAPITRE IV : L’INTERRUPTEUR

_THERMIQUE

... 45

IV -A DESCRIPTION ... 46

IV

_-A.1)

MONTAGE EXPERIMENTAL ... 46

IV -A.2)

PRINCIPE ... 47

IV - B PERFORMANCES ATTENDUES DE L’INTERRUPTEUR... 48

IV

_-B.1)

LES DONNEES NECESSAIRES AU CAL-CUL ... 49

IV

_-B.2)

TEMPERATURE MINIMUM DU

_LIQUIDE

POLARISE ... 50

IV

_-B.3)

TEMPS

_{CARACTERISTIQUE}

DE RE-FROIDISSEMENT DE

l’

3

HE

... 52

IV

_-B.4)

LIMITATIONS DE L’INTERRUPTEUR . 56 CONCLUSION ... 58

CHAPITRE V : CARACTERISATION DU MONTAGE EXPERIMENTAL 59 V -A AMAGNETISME DU DISPOSITIF EXPERIMENTAL ... 60

V

_-A.1)

ETUDE PAR RMN DU GAZ POLARISE -PROCEDURE ... 60

V

_-A.2)

RELAXATION NUCLEAIRE TRANSVERSE 61 V

_-A.3)

RELAXATION NUCLEAIRE LONGITUDI-NALE ... 63

V -B TEST DE L’INTERRUPTEUR

_THERMIQUE

... 64

V

_-B.1)

TEMPS DE REFROIDISSEMENT - TEM-PERATURE MINIMUM ACCESSIBLE ... 64

V

_-B.2)

CARACTERISATION DU

_LIQUIDE

PAR RESONANCE

_MAGNETIQUE

NUCLEAIRE ... 66

V

_-B.3)

RESULTATS ... 67

DEUXIEME PARTIE

ETUDE EXPERIMENTALE DE MELANGES POLARISES

d’

3

He-

4

He

INTRODUCTION ... 72

CHAPITRE VI: PRINCIPE DE LA MESURE DU POTENTIEL

_CHIMIQUE

DE L’HELIUM 4 ... 76

VI -A RAPPELS ... 77

VI

_-A.1)

LE MODELE A DEUX FLUIDES .... 77 VI

_-A.2)

CONDUCTIVITE

_THERMIQUE

DE

l’

4

He

PUR ... 80

VI

_-A.3)

ORIGINE DE L’EFFET "HEATFLUSH" 84

VI

_-A.4)

CONDUCTIVITE

_THERMIQUE

DES

MELANGES

3

He-

4

He

... 86

VI -B APPLICATIONS DE L’EFFET "HEATFLUSH" ... 89

VI

_-B.1)

MESURE DU POTENTIEL

_CHIMIQUE

DE

l’HE II DANS LES MELANGES ... 89

a)

Principe

b)

Procédure

_{expérimentale}

VI

_-B.2)

MODELISATION D’UNE COLONNE DE MELANGE : ESTIMATION DU PROFIL DE

TEM-PERATURE ET DE CONCENTRATION ... 92

a)

La colonne de

_mélange

b)

Cas de la

_Jauge

à Pression

_Osmotique

VI C CARACTERISATION D’UN MELANGE POLARISE ... 97

VI

_-C.1)

PROCEDURE DE MESURE DU POTEN-TIEL

_CHIMIQUE

DE

L’

4

HE

DU MELANGE

PO-LARISE ... 97

VI

_-C.2)

CONTRAINTES EXPERIMENTALES .. 98

a)

Influence sur la forme de la colonne de

_mélange

b)

Sensibilité de la mesure

CHAPITRE VII : ETUDE EXPERIMENTALE D’UN MELANGE

PO-LARISE :PREMIER TYPE DE DE CELLULE ... 104

VII - A MONTAGE EXPERIMENTAL ... 105

VII

_-A.1)

ALLURE GENERALE DE LA CELLULE 106

a)

Caractéristiques

b)

Choix du diamètre intérieur de la cellule

_{expérimentale}

VII

_-A.2)

PREPARATION DE L’AIMANTATION

-DISCUSSION D’UNE PROCEDURE OPTIMALE . 106

VII -A.3)

PROCEDURE ADOPTEE ... 108

a)

Introduction

b)

Effet HEVAC dans les

_mélanges

3

He-

4

He

c)

Conclusion

VII B INFLUENCE DE LA FORME DE LA CELLULE ... 112

VII -B.1)

CHAMPS DEMAGNETISANTS .... 112

a)

Champ magnétique

créé _par un volume aimanté

b)

Evolution de l’aimantation dans un

champ statique

B

0

c)

Discussion

VII

_-B.2)

MESURE DIRECTE DU TEMPS DE

DIF-FUSION DE L’AIMANTATION ... 119

a)

Principe

de la mesure de

D

0

b)

Calcul du

_temps

d’amortissement de l’aimantation transverse

VII -B.3)

ECHOS DE SPINS ... 124

a)

Rappels

b)

Effets de la diffusion de l’aimantation

c)

Quelques

ordres de

_grandeur

VII - C RESULTATS OBTENUS ... 129

VII

_-C.1)

TEMPERATURE MINIMUM DU

MELANGE POLARISE... 129

a)

Evaluation des

_pertes

_thermiques

b)

Température

minimum du

_mélange

_polarisé

VII -C.2)

DISPOSITIF RMN ... 133

a)

Le

_{champ magnétique}

_statique

_B

₀

b)

Les bobines de

_gradients

de

_champ

c)

Les bobines d’induction et de détection

d)

Le circuit de détection

VII

_-C.3)

ETUDE DES SIGNAUX DE PRECESSION

VII

_-C.4)

RELAXATION DE L’AIMANTATION . 137

a)

Relaxation

_{longitudinale}

b)

Durée de vie du

_signal

de

_précession

de l’aimantation

trans-verse

c)

Echos de

_spins

CONCLUSION ... 140

CHAPITRE VIII : ESSAI D’UN DEUXIEME TYPE DE CELLULES : LES CELLULES A CESIUM VIII A INTERET DU CESIUM ... 142

VIII

_-A.1)

RAPPEL : "MOUILLAGE D’UNE SUR-FACE" ... 143

VIII

_-A.2)

RESULTATS POUR LE CESIUM ... 144

VIII

_-A.3)

OPTIMISATION DE LA FORME DE LA CELLULE ... 145

VIII B DESCRIPTION DE LA CELLULE ... 146

VIII

_-B.1)

_{CARACTERISTIQUES}

... 146

VIII

_-B.2)

PROFIL DE TEMPERATURE ET DE CONCENTRATION LE LONG DE LA CELLULE . 147

VIII-B.3)

PREPARATION DE LA SOLUTION POALRISEE - DISCUSSION D’UNE PROCEDURE DE POMPEGE

_OPTIQUE

... 148

VIII -C RESULTATS PRELIMINAIRES ... 149

CONCLUSION - PERSPECTIVES ... 151

ANNEXE ... 155

Liste des

_Figures

Figure

II-1 : Schéma des

_premiers

niveaux de

l’

3

He. ...

12

Figure

II-2 :

_Quelques

niveaux de

l’

3

He et de l’

4

He. ...

12

Figure

II-3 : Meilleurs taux de

_polarisation

observés à forte

_puissance

laser

_(~

_3W)

en fonction

_{de la pression}

totale dans la cellule... 14

Figure

II-4a : Niveaux

₂

₃

_S

₁

et

2

3

P

de l’hélium... 15

Figure

II-4.b: Position relative des raies de

l’

4

He

et de

l’

3

He. ...

15

Figure

II-5 : Calcul du taux de

_polarisation

nucléaire de

l’

3

He

en fonction de la

puissance

laser... 16

Figure

II-6 : Schéma de

_principe

du laser ... 16

Figure

II-7 : Schéma

_{simplifié de l’ensemble expérimental...}

19

Figure

II-8 : Variation du

_temps

de relaxation nucléaire

_T

₁

avec la

température 03B8

de la cellule

_{expérimentale. ...}

26

Figure

III-1 : Vue d’ensemble du

_montage

_{expérimental. ...}

31

Figure

III-2 :

_Principe

de la mesure du niveau

d’

4

He

cryogénique...

32

Figure

III-3 : Détail du _passage de la cellule entre le bain

d’

4

He

et la boîte à vide.. 32

Figure

III-4 :

_{Ancrage thermique}

des résistances sur la cellule... ₃₆

Figure

III-5 :

_Diagramme

de

_phase

des

_mélanges

3

He-

4

He...

36

Figure

III-6 : Schéma de

_principe

de

_{réfrigérateur}

à dilution... 36

Figure

III-7 : Circuit externe de circulation de l’hélium

_{cryogénique...}

36

Figure

III-8 : Le

_pot

à 1K... 37

Figure

III-9 :

_{L’échangeur}

de chaleur... 37

Figure

III-10 : Schéma de la

_jauge

à

_pression

_osmotique...

40

Figure

III-11 : Variation en fonction de la

température,

de la

pression osmotique

dans

un mélange

3

He-

4

He,

pour diverses concentrations en

3

He...

41

Figure

III-12 : Variation de la

_pression

fontaine de

l’

4

He

en fonction de la

température.

41

Figure

III-13 :

_Principe

de fonctionnement de la

_jauge

à

_{pression osmotique....}

42

Figure

III-14 : Variation de la

_température

_T

_e

de

l’

4

He

pur en fonction de la

_température

T

bm

de la boîte à

_mélange...

42

Figure

III-15 : Variation de la

_température

T de l’extrémité E du

_capillaire

en fonction de la

_puissance

_thermique

_qui

lui est

_appliquée,

_pour une

température

T

bm

=

52 mK de la boîte à

_mélange...

43

Figure

III-16 : Puissance

_frigorifique

du

_{réfrigérateur}

à dilution... 44

Figure

IV-1b : Dimensions de

_{l’interrupteur}

_thermique...

48

Figure

IV-2 : Contact

_thermique

entre

_{l’interrupteur}

et la cellule

_{expérimentale...}

48

Figure

IV-3 :

_{Représentation}

_symbolique

de

_{l’interrupteur thermique}

en

position

ou-verte... 49

Figure

IV-4 :

_{Représentation symbolique}

de

_{l’interrupteur thermique}

en

_position

fermée. 49

Figure

IV-5 : Modélisation sommaire du fritté

_d’argent.

Figure

IV-6 : Détail de la

_partie

inférieure du tube en inox de

l’interrupteur....

50

Figure

IV-7 : Détail de la

_partie

de la cellule

_{expérimentale}

en contact

thermique

avec

l’interrupteur

de chaleur... 51

Figure

IV-8 : Détermination de la

_température

de

_{liquéfaction}

_T

_liqué

de

l’

3

He. ..

54

Figure

IV-9 : Modélisation de la cellule _pour le calcul du

_temps

d’écoulement des atomes

entre B et la cellule

_{expérimentale}

C... 55

Figure

IV-10 : Variation en fonction de la

température

de

l’impédance

thermique

asso-ciée _{au processus}

_{évaporation-condensation...}

57

Figure

IV-11 : Modélisation du tube en inox de

l’interrupteur,

_pour le calcul de son

profil

de

_{température...}

57

Figure

IV-12 : Profil de

_température

dans le tube en inox de

l’interrupteur....

57

Figure

V-1 :

_Signal

de

_précession

de l’aimantation dans la cellule

_{expérimentale}

_(T=4,2

K)...

61

Figure

V-2 :

_Signal

de

_précession

libre de l’aimantation dans la cellule

_{expérimentale}

(T=1

K)...

61

Figure

V-3 : Détail de la

_partie

_supérieure

de

_{l’interrupteur}

_thermique...

64

Figure

V-4 :

_Temps

d’ouverture et de fermeture de

_{l’interrupteur}

_{thermique....}

64

Figure

V-5a :

_Signal

de

_précession

libre de l’aimantation en

phase

_{gazeuse ....} 67

Figure

V-5b : Transformée de Fourier du

_signal

de la

_figure

V-5a... 67

Figure

V-6a :

_Signal

de

_précession

libre de l’aimantation en

phase

liquide ....

67

Figure

V-6b : Transformée de Fourrier du

_signal

de la

_figure

V-6a... 67

Figure

V-7 : Evolution

_temporelle

de la différence entre les

_fréquences

de

_précession

de

l’aimantation en

phase liquide

et en

phase

_gazeuse... 69

Figure

VI-1 :

_{Diagramme de phase}

de

l’

4

He. ...

78

Figure

VI-2 : Vitesse moyenne vm de l’écoulement de

l’

4

He

à travers des tubes

capillaires

de diamètre

_différent,

en fonction de la

pression

à l’entrée du

capillaire...

79

Figure

VI-3 : Viscosité de

l’

4

He

en fonction de la

température...

₇₉

Figure

IV-4 : Variation du

_rapport

entre la masse

volumique

du fluide normal

(resp.

superfluide)

et la masse

volumique

totale de

l’

4

He,

en fonction de la

température..

80

Figure

VI-6 : Convection dans l’He II ... 81

Figure

VI-7 : Variation du flux de chaleur dans l’He II contenu dans une fente de

_largeur

2,4

03BCm, en fonction de la différence de

température

0394T à travers la fente... 81

Figure

VI-8 : Conductivité

_thermique

de l’He II... 84

Figure

VI-9 : L’effet "heatflush" dans un

mélange

3

He-

4

He

... 85

Figure

VI-10 : Variation de la conductivité

_thermique

des solutions

3

He-

4

He

en fonction

de la

_{température,}

_pour diverses concentrations en

3

He...

90

Figure

VI-11 : Création d’une zone

d’

4

He

pur dans une colonne de

mélange....

91

Figure

VI-12 :

_Principe

de la mesure du

potentiel chimique

_03BC4 de

l’

4

He...

91

Figure

VI-13 : Modélisation de la colonne de

_mélange

_pour le calcul de son

profil

de

température

et de concentration... 94

Figure

VI-14 : Estimation du

_profil

de

_température

et de concentration en

3

He

dans

une colonne de

mélange...

₉₅

Figure

VI-15 : Variation en fonction de la

position

dans le

mélange,

du

_rapport

entre

le flux de

_{chaleur qui}

le traverse et le flux total... 96

Figure

VI-16 :

_{Représentation}

_symbolique

de la

_jauge

à

_{pression osmotique....}

97

Figure

VI-17 : Variation de la

_température

T de l’extrémité du

_capillaire

de la

_jauge

à

pression osmotique

en fonction de la

puissance

thermique

(courbe théorique)....

98

Figure

VII-1 : Vue d’ensemble de la cellule utilisée _pour la

_préparation

et l’étude d’une

solution

_polarisée

d’

3

He-

4

He...

106

Figure

VII-2 : Détail de la

_partie

inférieure de la cellule... 107

Figure

VII-3 : Conditions

_physiques

_régnant

dans la cellule _pour diverses

_{températures}

de la cellule

_{expérimentale...}

108

Figure

VII-4 :

_{Représentation symbolique}

de la cellule

_{expérimentale}

_pour la

modélisation de l’effet Hevac... 110

Figure

VII-5 : Variation de la concentration en

3

He

dans le _gaz, en fonction de la

position dans

la cellule... 110

Figure

VII-6 : Un modèle

_simple

_pour le calcul du

_{champ magnétique}

créé _par un

cylindre

aimanté... 115

Figure

VII-7 : Axes de coordonnées

_adoptées

_pour

_repérer

l’axe des

_cylindres

_par

rap-port

au

champ

statique extérieure...

116

Figure

VII-8 : Variation en fonction de la

température

du coefficient de diffusion des

spins D

0

dans les

_mélanges

3

He-

4

He...

119

Figure

VII-9 :

_Préparation

d’une aimantation transverse

_{inhomogène...}

120

Figure

VII-10 : Aimantation transverse initiale

_après

une

impulsion inhomogène

de

radiofréquence...

121

Figure

VII-11 : Evolution

_temporelle

de l’aimantation transverse

_inhomogène

dans le

Figure

VII-12 : Détection de l’aimantation transverse

_{inhomogène...}

121

Figure

VII-13 :

_Principe

des échos

_{de spins ...}

124

Figure

VII-14 : Contact

_thermique

entre la cellule

_{expérimentale}

et la boîte à

_mélange.

129

Figure

VII-15 : Dimensions

_{de l’interrupteur thermique...}

129

Figure

VII-16 : Détermination des

_pertes

_thermiques

amenées _par la cellule vers la boîte à

_mélange...

130

Figure

VII-17 : Estimation du

_profil

de

_{températures}

et de concentrations dans le

mélange...

133

Figure

VII-18 : Ensemble de bobines

_{pour le champ}

_B

₀

_...

134

Figure

VII-19 : Variation de

B

0

sur l’axe des bobines... 134

Figure

VII-20 : Ensemble de bobines _pour les

_gradients

de

_champ...

134

Figure

VII-21 :

_Dispositif

RMN... 134

Figure

VII-22 : Schéma du circuit

_déphaseur

actif utilisé _pour la

_compensation

du

_signal

radioélectrique parasite capté...

135

Figure VII-23 :

Circuit

_{électronique}

d’induction et de détection ... 136

Figure

VII-24a :

_Signal

de

_précession

libre de l’aimantation du

_mélange,

pour un faible

angle

de basculement... 136

Figure

VII-24b : Transformée de Fourier du

_signal

en

_temps

réel... 136

Figure

VII-25a :

_Signal

de

_précession

libre de l’aimantation du

_mélange,

_pour un

angle

de basculement

_03C0/2...

136

Figure

VII-25b : Transformée de Fourier du

_signal

en

_temps

réel... 136

Figure

VII-26 : Durée de vie du

_signal

de

_précession

libre de l’aimantation transverse. 139

Figure

VII-27 : Evolution de la

_composante

_inhomogène

de l’aimantation transverse

après

une

impulsion

inhomogène

... 139

Figure

VIII-1 : Définition du

_mouillage

d’une surface... 144

Figure

VIII-2 :

_Dispositif

_{expérimental}

_pour la mise en évidence du

"non-mouillage"

du césium

par l’

4

He...

144

Figure

VIII-3 : Allure de la "cellule à césium". ... 146

Figure

VIII-4 : Détail de la cellule

_{expérimentale...}

146

Figure

VIII-5 : Allure de la cellule avant son

remplissage

à l’hélium... 146

Figure

VIII-6 : Conditions

_{physiques régnant}

dans la cellule _pour diverses

_{températures}

de la cellule

_{expérimentale...}

149

1

2

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

quantiques

po-larisés,

et

_plus

_{particulièrement}

sur l’hélium

polarisé

à basse

température.

Ce

champ

de

recherches s’est ouvert il _y a une

quinzaine

d’années _par une série de travaux

_théoriques

[1]

[2],

bientôt suivis par de nombreuses vérifications

expérimentales.

Elles ont

porté

sur

l’

3

He

_gazeux,

l’

3

He

liquide

ainsi _que les solutions diluées

d’

3

He

dans de

l’

4

He

super-fluide

_{[3] [4].}

Dans tous les _cas, les

_phénomènes

étudiés sont des effets

_{macroscopiques}

induits _par une modification de l’orientation des

spins

nucléaires de

l’

3

He.

En d’autres

termes,

la

_polarisation

nucléaire M de l’échantillon

_peut

être considérée comme un nou-veau

paramètre

thermodynamique, auquel

sont reliés des effets de

statistique quantique

variés. Citons _par

_exemple

la modification des

_propriétés

de

_transport

du

_fluide,

le

changement

du

_diagramme

de

_phase

de

l’

3

He

...

L’origine

commune à toutes ces

pro-priétés

est l’indiscernabilité des

_particules

d’

3

He

_{lorsqu’elles}

sont dans le même état de

spin

nucléaire : elles sont alors soumises aux

règles

de la

statistique quantique

de

Fermi,

puisque

leur

_spin

nucléaire vaut

_I=1/2.

Ce mémoire fait suite aux thèses de P.J. Nacher

[5]

et G. Tastevin

_[6],

et

_plus

généralement

aux travaux menés

_depuis

une dizaine d’années _{par notre}

équipe

du

labo-ratoire de

_{Spectroscopie}

Hertzienne. Elle

_polarise

l’

3

He

_{par pompage}

_optique,

et étudie

ses

propriétés

à basse

température.

Cette

équipe

s’est tout d’abord intéressée aux

pro-priétés

du gaz

d’

3

He

polarisé

refroidi

_jusque

vers

_1,2

K. Il a ainsi _pu être mis en évidence

la

_propagation

d’ondes de

_spin

dans le _gaz dilué

_[7].

Ce

_phénomène

résulte d’un effet dit de rotation de

_{spins identiques,}

bien connu dans le cas des électrons de conduction

d’un métal. L’intérêt s’est ensuite

_porté

sur la conductivité

thermique

du _gaz

d’

3

He

dans la même _gamme de

_{température,}

et il a été montré

qu’elle dépendait

nettement

de la

_polarisation

nucléaire

_[8].

Par la

_suite,

notre

_équipe

a réussi à

préparer

de

l’

3

He

liquide

à

partir

du _gaz

polarisé,

et à le refroidir

_jusque

vers 500 mK

grâce

à un

_cryostat

à

3

He

construit au

laboratoire

_[6]

_[9].

Les études

_{quantitatives}

menées sur ce nouveau fluide

quantique

ont toutefois été limitées par la faible

plage

de

température

accessible avec le

mon-tage

existant

_(la

_température

la

_plus

froide accessible est

_proche

de celle où le _gaz se

liquéfie).

C’est la raison pour

laquelle

nous avons décidé de construire un

système

de

re-froidissement des échantillons

_{plus performant,}

_comportant

notamment un

réfrigérateur

3

techniques

de

_polarisation

utilisées par notre

équipe.

Un des

_objectifs

_assigné

à ce nouveau

montage

est l’étude du

liquide

3

He

po-larisé

_jusqu’à

des

_{températures}

assez basses pour que le

régime dégénéré

soit atteint

(la

température

de Fermi du

_liquide

3

He

est en effet estimée à 300 mK

environ).

On s’attend à ce _que les manifestations du

principe

d’exclusion de Pauli soient

très

_marquées

dans ce

système,

et donnent accès à des

quantités

qui

relèvent des effets

à N corps. Citons par

exemple

l’énergie

de liaison par

particules

dans le

liquide

ou la

relaxation nucléaire

_{longitudinale}

liée aux interactions

dipole-dipole.Ces

propriétés

sont

évidemment

_beaucoup

_plus

difficiles à

_prédire

_{théoriquement}

_que celles du _gaz

_polarisé.

La mise en évidence

expérimentale

de certains effets de

polarisation

dans

l’

3

He

liquide

serait très certainement de nature à stimuler les efforts des théoriciens.

L’hélium à basse

_température

offre aussi la

_possibilité

d’étudier un autre

_système

très riche : les solutions

d’

3

He

_polarisé

dans

l’

4

He

_superfluide.

Le nouveau

_montage

_que nous avons construit est bien

adapté

à leur étude en fonction du taux de

polarisation

nucléaire M dans une

large

_gamme de

température.

L’intérêt de ce

système physique

est

qu’il présente

beaucoup

d’analogies

avec un

système

_gazeux. En effet

l’

4

He

superfluide

constitue pour les atomes

d’

3

He

un

"pseudo vide", appelé parfois

"vide massif". Les

atomes

d’

3

He

_s’y

_propagent

comme des atomes

libres,

et on

_peut

calculer

simplement

leurs

_{propriétées physiques}

en leur affectant une masse renormalisée _pour tenir

_compte

des interactions avec

l’

4

He

[10] [11].

L’avantage

de ces solutions sur

l’

3

He

_{gazeux est}

qu’on

peut

les

porter

jusqu’à

une

température proche

du zero absolu sans condensation

de

l’

3

He,

à condition que leur concentration

isotopique

reste inférieure à

6%

environ

(pour T=0).

Plusieurs

_équipes

ont

_déjà

mis en évidence des effets de la

polarisation

nucléaire sur

les

_propriétés

de

_transport

de telles solutions. On

_peut

citer la

_propagation

du second

son

[12] [13],

la viscosité

[14] [15],

la diffusion d’aimantation et la

propagation

d’ondes

de

_spin

_[16]

_[17]

_[18]

_[19].

Dans toutes ces

expériences,

la

polarisation

nucléaire était

obtenue _par une méthode de "force brute"

(application

d’un fort

champ

magnétique

à

basse

_{température),}

_qui

ne

_permet

de

polariser

fortement _que des solutions très diluées

(concentration

en

3

H

e

~

10

-4

).

En

_revanche,

le _pompage

_optique

utilisé _{par notre}

_équipe

semblait bien

_adapté

à l’obtention de solutions à la fois concentrées et bien

_polarisées.

C’est

pourquoi

nous

4

nous sommes fixés comme but

principal

de

préparer

de telles solutions

polarisées

avec

notre

_montage

_{expérimental,}

et d’en étudier

_{quelques propriétés}

en fonction de M dans

la nouvelle _gamme de

_température

ainsi accessible.

Nous avons choisi de mettre au

point

une méthode de mesure du

potentiel chimique

03BC

4 de

l’

4

He,

en fonction de M dans des conditions où la

température

T et la

concentra-tion x de

l’

3

He

sont mesurées simultanément. L’intérêt de cette mesure de _{03BC4 est que}

cette fonction est un des

paramètres

qui

_permet

de

prédire

l’ensemble du

_comportement

thermodynamique

du

_système.

PLAN DE L’EXPOSE

Ce mémoire se _compose de trois

parties.

La

première

décrit

l’appareillage

_que nous avons construit et la

procédure adoptée

_pour

préparer

et caractériser les échantillons

liquides

polarisés.

Nous faisons

_quelques

_rappels

sur le _pompage

optique

et ses

avan-tages,

en insistant sur le cas

particulier

des

mélanges 3

He-

4

He

qui

vient d’être étudié

par C. Larat pour sa thèse

[20].

Nous

présentons

aussi la

technique

des doubles cellules

développée

pour transférer du gaz

polarisé

d’une zone à

température

ambiante,

où il est

orienté

_optiquement,

vers une zone

d’expérimentation

où il est éventuellement

liquéfié.

Puis nous décrivons le

_cryostat

à dilution _que nous avons construit avec l’aide de

G. Vermeulen. Cette

première partie

comporte

de nombreuses estimations des

divers-es

pertes

thermiques

du

système

de

refroidissement,

de

façon

à évaluer la

température

où l’on

_{peut porter}

_{l’échantillon,}

ainsi _que les constantes de

_temps

associées à son

re-froidissement.

Dans une deuxième

_partie,

nous décrivons les

expériences

réalisées sur les solutions

3

He-4

He.

Nous

_présentons

la

_procédure

de mesure du

potentiel

chimique

de

l’

4

He,

ainsi

que les divers

signaux

de résonance

magnétique

nucléaire que nous avons

enregistrés.

Enfin,

nous

_reportons

des mesures

préliminaires

effectuées sur une cellule contenant

du césium dans sa

partie

froide. Nous utilisons là des résultats obtenus _par ailleurs sur le non

mouillage

du césium _par

l’

4

He

superfluide

[21].

Ceci offre différentes

possi-bilités fort intéressantes relatives d’une

_part

à la diminution des

_pertes

_thermiques

et

donc aux

températures

ultimes

accessibles,

et d’autre

_part

à l’amélioration des taux de

polarisation

nucléaire.

ar-5

ticle d’une série de

_trois,

consacrés à l’effet d’un flux

d’

4

He

_gazeux sur la

concentra-tion d’atomes

d’

3

He

en

présence

d’un film

superfluide.

Dans ce

premier article,

nous

présentons

une modélisation

simple qui prend

en

_compte

les effets

hydrodynamiques

dans la

_phase

_gazeuse, et

_{l’équilibre thermodynamique}

local avec un film

superfluide.

Le modèle est ensuite

_appliqué

au cas d’un

cylindre

soumis à un flux

thermique

con-stant,

ce

qui

est en

pratique

la situation rencontrée dans nos cellules

expérimentales.

Les résultats de nos calculs

_permettent

d’expliquer

la

plupart

des observation

effec-tuées

_{expérimentalement,}

_{et par}

_conséquent

d’améliorer nos méthodes de

préparation

des échantillons

_polarisés.

Cette thèse s’achève donc sur des

perspectives

nouvelles _pour l’étude de

l’

3

He

po-larisé

_optiquement

dans une _gamme de

température

étendue _par

_rapport

aux

possibilités

antérieures à ce travail. Elle ouvre en outre le domaine de recherche sur les solutions

6

PREMIERE PARTIE

CONSTRUCTION

ET

CARACTERISATION

D’UN ENSEMBLE

EXPERIMENTAL

7

CHAPITRE

I

8

COMMENT AIMANTER

l’

3

He

_LIQUIDE

ET LES SOLUTIONS

3

He-

4

He

Pour des

_{températures}

très

_supérieures

à la

_température

de

_Fermi,

les

_propriétés

thermodynamiques

et

_magnétiques

de

l’

3

He

_liquide

sont

_gouvernées

_par la

_statistique

de Boltzmann

_{(régime classique).}

En

_particulier,

la

_{susceptibilité magnétique}

suit une

loi de Curie : elle varie comme l’inverse de la

température.

Dans le

_régime

_{dégénéré,}

l’

3

He

_liquide

obéit à une

_statistique

de Fermi : la

sus-ceptibilité

devient

_{indépendante}

de la

_{température.}

Pour donner un ordre de

grandeur,

du

_liquide

sous une

pression

de 34

bars,

à une

température

de 50 mK et dans un

champ

magnétique

de 7

_T,

_présente

un taux de

polarisation

de 3

%.

Cette faible valeur résulte

du

_principe

de Pauli : seuls les

_spins

dans un état

proche

du niveau de Fermi sont

susceptibles

de s’orienter.

Ce

_principe

exclut l’utilisation de la "force brute" _pour aimanter fortement du

liquide.

Un certain nombre de méthodes ont alors été

_{développées}

dans le but d’obtenir de fortes

_{polarisations.}

On

_peut

par

exemple

avoir recours à la

technique

de fusion

rapide adiabatique

de

l’

3

He

solide

_polarisé

_[22].

Le

_principe

repose sur la forte

suscep-tibilité

_magnétique

du solide. Dans cette

_phase,

les

_spins

sont

_{indépendants}

_(jusqu’à

quelques

mK)

et la

_{susceptibilité}

_magnétique

suit alors une loi de Curie : _pour T=5

mK et B= 10

_T,

le taux de

_polarisation

atteint

91%.

Il reste alors à fondre le solide

par

décompression

pour obtenir du

liquide

dont l’aimantation initiale est celle du solide

dont il est issu. Le

_{point important}

est _que la

_température

du

_liquide

est

_largement

supérieure

à 5 mK. Il existe

_plusieurs

causes à ce réchauffement

(voir

_par

exemple

[23]).

Nous ne citons ici _que les

principales.

* _Même

avec une haute

polarisation

initiale du

solide,

il existe une

entropie

résiduelle due aux

_spins.

Pour une aimantation du solide de 70

%

(7

Tesla,

6

mK),

la

_température

du

_liquide

sera de 100 mK si on _{suppose que} la fusion est

adiabatique.

* _{A 5}

mK,

la

_pression

du solide est

_supérieure

à 34 bars. Une

_{décompression}

est

appliquée

sur l’une de ses faces. Pour

qu’elle

se _propage dans tout le solide afin

qu’il

fonde,

il faut évacuer la différence de volume entre le solide et le

_liquide.

Ce _processus

s’accompagne

d’un

_dégagement

de chaleur associé au travail des forces

visqueuses.

* _{La relaxation des}

spins

génère également

une

quantité

significative

de chaleur.

9

et la

_température

inititale était de 60

%

et 70

_mK,

_par mise en contact

thermique

du

liquide

polarisé

avec un réservoir froid

d’

3

He

normal.

Le

_problème

de la faible

_{susceptibilité}

_magnétique

des

_liquides

de Fermi dans le

régime

dégénéré

se _pose

également

_pour les solutions

d’

3

He-

4

He.

Rappelons

_que l’on

doit

_disposer

d’un

_{champ magnétique}

suffisamment élevé _{pour que}

_l’énergie

_magnétique

produite

soit du même ordre de

_grandeur

_que

_l’énergie

de Fermi

k

B

T

f

.

Sous

_pression

de _vapeur

_saturante,

la

_température

de Fermi _pour les solutions diluées est donnée _par

T

f

=

2,58

x

2/3

(voir

par

exemple

[25]),

x étant la concentration en

3

He

de la solution.

On _{remarque que} la méthode dite de "force brute" ne

produit

des taux de

_polarisation

significatifs

que pour de très faibles concentrations

(x ~

10

-4

).

Pour des solutions

plus

concentrées,

on doit recourir à un autre moyen, par

exemple

la méthode de fusion

rapi-de

_{déjà évoquée.}

Roobol et al

_[26]

_polarisent

ainsi à

_plus

de

10%

des solutions dont la concentration en

3

He

varie de

5,5

%

à

8,5

%,

_pour une

température

de 350 mK.

En

_résumé,

la

_technique

de fusion

_rapide

est très

_efficace,

mais lourde à

entrepren-dre. Citons

_quelques

inconvénients :

* _{L’utilisation d’un}

réfrigérateur

à dilution très

_performant

est nécessaire. Le

temps

de refroidissement est

_{généralement}

très

_long.

* _La

rapidité

de refroidissement du solide

_jusqu’à

_quelques

mK est fortement

_gênée

par les processus

d’échange

de

chaleur,

qui

sont très peu efficaces à très basses

tem-pératures

(Résistance

de

_Kapitza

entre matériaux

_(voir

_par

_exemple

_[27])).

Ces deux

_{caractéristiques}

limitent évidemment la

_répétition

des

_{expériences.}

* _{Dans les études menées}

par

Wiegers

et al

[24],

refroidir le

liquide polarisé

en

dessous de 100 mK nécessite son confinement dans des frittés

d’argent

_pour

_augmenter

la surface

_d’échange

avec le réservoir froid. Le

principal problème

de cette

technique

provient

des

_temps

de relaxation nucléaire courts

_(~

1

_min.)

dus à la

_présence

du métal. Cela réduit donc les

_{possibilités d’expériences}

à réaliser _pour caractériser ensuite

l’

3

He

liquide

polarisé.

AIMANTATION PAR POMPAGE

_OPTIQUE

La méthode

_{développée depuis quelques}

_temps

dans notre laboratoire

_s’appuie

sur une

approche

différente : on

polarise

l’

3

He

(pur

ou

mélangé

à de

l’

4

He)

sous forme

10

la

_technique

de _pompage

_optique,

inventée par Kastler et al

[28]

et

développée

par

Colegrove

et al

_[29]

dans le cas de l’hélium.

En

_résumé,

il

_s’agit

de transférer une

polarisation

de la lumière de _pompage vers

les

_spins

nucléaires des atomes

d’

3

He.

On trouvera une

description

des

grandes lignes

de ce

procédé

dans le

chapitre

II. Nous allons tout d’abord

rappeler

les résultats

déjà

obtenus dans notre laboratoire

_quant

à l’étude d’une

_part

de

l’

3

He

_gazeux

_polarisé,

et

d’autre

_part

de

l’

3

He

_liquide

_polarisé.

Pour

l’

3

He

en

phase

_gazeuse, des taux de

polarisation

aussi élevés _que 50

%

sont

couramment obtenus

_[5]

_{[6] (et}

_pour une

température

supérieure

à environ 600

mK).

Il a _par la suite été

prouvé

qu’il

était

possible

de

préparer

de

l’

3

He

liquide polarisé

par condensation du gaz aimanté par pompage

optique.

Cet

objectif

a été atteint au cours du travail de thèse de G. Tastevin

[6] [9].

Elle même et P.J. Nacher ont réussi à

polariser

de

l’

3

He

_liquide

_jusqu’à

50

%

pour une

température

de 450 mK. Parallèlement

à ces études sur

l’

3

He

_pur, C. Larat et al ont

entrepris

d’étendre la

technique

de

pom-page

optique

aux

mélanges

3

He-

4

He

([20]

et références

citées).

Devant le succès de ces

expériences,

s’ouvrait un nouveau

_champ

d’investigations :

l’étude des solutions

polarisées

d’

3

He-

4

He.

L’étape préliminaire

a donc consisté à construire un ensemble

expérimental

comprenant

un

réfrigérateur

à

dilution,

afin d’atteindre de

plus

basses

températures

que celles observées par G. Tastevin et P.J. Nacher avec un

_cryostat

à

3

He.

Le but est de

_disposer

d’un outil

_permettant

l’étude de

l’

3

He

_polarisé

_pur ainsi _que des solutions

_polarisées

d’

3

He-

4

He

dans un

large

domaine de

températures, régime

dégénéré

compris.

Ce travail s’est déroulé sous la

responsabilité

de G.

Vermeulen,

en

stage

Post-doctoral de 1988 à 1991 dans notre laboratoire.

La

_première

_partie

de ce mémoire est consacrée à la

description

de notre ensemble

expérimental.

Nous

_rappellerons

tout d’abord dans le

_chapitre

II

_quelle

est la

_procédure

mise au

point

dans notre laboratoire _pour

préparer

du

liquide polarisé,

en insistant sur

les modifications

_requises

_par l’utilisation d’un

_{réfrigérateur}

à dilution. La

_partie

tech-nique

consacrée à la

_cryogénie

est

_regroupée

dans le

_chapitre

III. Nous verrons _que

l’étude de

l’

3

He

pur nécessite un

interrupteur

entre la

partie

dilution et la cellule

ex-périmentale

contenant

l’

3

He :

nous le décrirons dans le

chapitre

IV. Pour clore cette

première

partie

(chapitre V),

nous _exposerons les résultats

préliminaires

obtenus avec

11

CHAPITRE II

PREPARATION

D’HELIUM-3

_LIQUIDE

POLARISE

12

Au cours de ce

chapitre,

nous décrirons notre ensemble

expérimental

ainsi _que la

procédure

mise au

point

au laboratoire _pour

préparer

de

l’

3

He

liquide polarisé.

Le

tra-vail _que nous avons réalisé a consisté à modifier une

technique

développée

autour d’un

cryostat

à

3

He

_pour un ensemble

expérimental

comprenant

un

réfrigérateur

à dilution.

Ces deux

_{configurations}

sont semblables sur un

grand

nombre de

points.

Nous ver-rons toutefois _que l’utilisation d’un

réfrigérateur

à dilution introduit

quelques

nouveaux

problèmes.

II - A LE POMPAGE

_{OPTIQUE -}

RAPPELS

II

_-A.1)

PRINCIPE

Nous décrivons tout d’abord le _pompage

_optique

de

l’

3

He

_pur. La

_physique

mise

en

jeu

au cours du _pompage

optique

de

l’

3

He

a été

analysée

de manière détaillée dans

de nombreuses

_publications

_(voir

_par

_exemple

_[5]

_{[29] [30]).}

C’est

_pourquoi

nous nous

contenterons ici de décrire les

_{étapes importantes}

de cette

_technique

d’aimantation. Une faible

_décharge

Haute

_Fréquence

entretenue dans le _gaz

_permet

de

_peupler

les différents états excités de l’atome

d’

3

He,

en

particulier

le niveau métastable

2

3

S

1

(figure II-1).

Le faisceau

_polarisé

d’un laser est

_envoyé

sur le _gaz,

parallèlement

au

champ

magnétique

dans

_lequel

il est

_plongé

_{(voir § II-C).}

La

_longueur

d’onde du laser

(03BB=1,08

03BCm)

est telle _que des transitions sont induites entre les niveaux

₂

₃

_S

₁

et

2

3

P.

La

_conséquence

_{est que} l’on crée une

polarisation électronique

de ces états excités. Par

couplage hyperfin

au sein de

chaque

_atome,

il en découle une orientation nucléaire. Elle

est finalement transmise aux atomes dans l’état fondamental _par collisions

_d’échange

de métastabilité

_(collisions

entre les atomes

_{respectivement}

dans les états métastable et

fondamental).

La

_technique

d’aimantation décrite ci-dessus

_peut

_également

_{s’appliquer}

dans le

cas où

l’

3

He

est

mélangé

à de

He.

l’

4

Cette méthode reste efficace tant que la

propor-tion

d’

4

He

est inférieure à environ

_1/3

_[20].

Pour des

_{quantités plus}

_élevées,

il devient

avantageux

d’effectuer le _pompage

_optique

sur

l’

4

He.

Dans ce _cas, les transitions induites entre les niveaux

_S

₁

₃

₂

et

2

3

P

de

l’

4

He

(fig-ure

II-2)

ont pour

conséquence

de créer une

polarisation électronique

des atomes

d’

4

He

Figure

II-1 : Schéma des

_premiers

niveaux de

l’

3

He.

On a

indiqué

leur durée de vie ainsi que la

longueur

d’onde de certaines transitions.

Figure

II-2 :

_Quelques

niveaux de

l’

3

He

et de

l’

4

He.

Un atome dans un état métastable est caractérisé _par le

_symbole

*. Le

_symbole

_{~ indique}

que

13

en est une

catégorie

qui

aboutit au transfert de la

polarisation

électronique

des atomes

d’

4

He

aux atomes

d’

3

He

dans l’état métastable

1

.

3

S

2

Nous nous retrouvons alors dans

la situation décrite _pour

1’

3

He

_{pur :} l’orientation nucléaire est transmise aux atomes

d’

3

He

dans l’état fondamental _par collisions

_d’échange

de métastabilité

_(collisions

avec un atome

d’

3

He

ou

d’

4

He).

II

_-A.2)

CONDITIONS EXPERIMENTALES OPTIMALES

L’aimantation maximum du _gaz

_dépend

fortement des conditions

_physiques

dans

lesquelles

nous nous

plaçons

_pour réaliser le _pompage

optique.

Diverses études tan-t

_théoriques

_{qu’expérimentales}

_(voir

_par

_exemple

_[30])

ont

_permis

de délimiter une zone

d’opération optimum,

et en même

_temps

facilement réalisable en

pratique.

Nous

présentons

les

_{paramètres physiques}

les

_{plus importants,}

et de

_façon

succinte les moti-vations

_quant

au choix de leurs valeurs.

a)

3

He

pur

* Intensité de la

_décharge

RF :

Elle conditionne le

_peuplement

du niveau métastable

₂

₃

_S

₁

_,

et _par

_conséquent

le

taux de collisions

_d’échange

de métastabilité des atomes dans l’état fondamental. Ce taux de collisions est un terme source de

polarisation.

Une

_décharge

intense

_génère

une

grande

densité de

sous-produits

(électrons,

ion-s,

molécules...).

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

_s’agit

donc de trouver un

compromis

entre une forte densité d’atomes

métastables et une faible densité de

produits

de

décharge.

En

pratique,

les meilleurs

résultats ont

_toujours

été obtenus _pour des

_{décharges faibles,}

à la limite de l’extinction. La

_fréquence

de la

_décharge

_peut

influencer le taux maximum de

_{polarisation.}

Cet effet n’a _pas été étudié de

_{façon systématique}

au

laboratoire,

mais il

apparait qu’une

fréquence

de

_{quelques Mega-Hertz}

_permet

d’obtenir

_{généralement}

de bons résultats. Toutes nos

expériences

seront réalisées avec une

fréquence

de

décharge

de l’ordre de

9 MHz. *

Température :

14

effet,

l’ordre de

_grandeur

de la section efficace de telles collisions diminue de

_plus

de deux ordres de

_grandeur

entre 300 K et

_4,2

K

_[31].

Bien

_qu’il

ait été démontré _que la section efficace est encore

plus importante

à

500 K

_qu’à

300 K

_{[5] [30],}

des raisons

_pratiques

ont motivé le choix de réaliser le

pom-page

optique

à

température

ambiante. A cette

température,

il est

déjà

très

performant.

* Taux

_{d’impuretés}

dans la cellule :

Le

_temps

de vie radiative des atomes métastables

_(~

_8x10

₃

_s)

_peut

être

con-sidérablement raccourci _par les collisions contre les

_impuretés

contenues dans la cellule. Pour limiter ce

phénomène,

toutes nos cellules sont

soigneusement nettoyées

[5] [32],

ce

qui

permet

d’avoir un taux

d’impuretés

inférieur à

10

-6

.

En

_outre,

toutes les

_impuretés

résiduelles condensables sont en

principe

absentes

du volume de _pompage

_{optique :}

en

effet,

nous verrons _par la suite _que nos cellules

s’étendent

_jusqu’à

des zones de très basse

température, qui

doivent _par

conséquent

piéger

les

_impuretés

par

"cryo-pompage".

* Densité

d’

3

He :

Plus la densité

d’

3

He

est

_{faible, plus}

le

_temps

_{caractéristique}

de diffusion vers les

parois

est

_rapide,

_{et par}

_conséquent

_plus

le taux de destruction des atomes métastables

sur les bords de la cellule est

important.

Une

trop

faible densité ne

_permet

donc _pas un _pompage

optique

efficace. A forte

pression,

il est difficile d’avoir un

plasma

_peu

relaxant vis à vis de l’orientation

_nucléaire,

alors _que la densité d’atomes dans l’état

2

3

S

1

reste limitée. Cela est dû en

particulier

aux collisions auto-ionisantes entre atomes

métastables.

En

_définitive,

il a été montré

[5] [30]

_que le pompage

optique

était efficace _pour une densité

d’

3

He

comprise

entre 3 x

10

15

et 3 x

10

17

atomes par

cm

3

,

ce

qui

corre-spond

pour une

température

de 300 K à une

pression

entre

0,1

et 10 torrs

(figure II-3).

L’optimum

d’efficacité se situe aux alentours de

10

16

atomes _par

cm

3

,

c’est-à-dire à une

pression

de

_0,3

torr à 300 K.

b)

Mélanges

3

He-

4

He

Dans le cas où la cellule

expérimentale

contient aussi de

l’

4

He,

nous avons

déjà

mentionné _que le _pompage

_optique

sur

1’

3

He

pouvait

être efficace si la

proportion

d’

4

He

Figure

II-3 : Meilleurs taux de

_polarisation

observés à forte

_puissance

laser

_(~

_3W)

en fonction

de la

_pression

totale dans la cellule.

Croix : hélium-3

_(trois

_points

à basse

_{pression :}

_pompage sur

_C

_s

_{: le quatrième}

sur

C

9

).

Cercles :

mélanges 1/4

hélium-3,

3/4

hélium-4

_(le

_point

à 6.4 torr a été obtenu avec une

_puissance

laser