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Sections efficaces d'échange de charges dans la collision des ions multichargés Oq+ et Nq + sur le deutérium moléculaire

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Academic year: 2021

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HAL Id: jpa-00209023

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Submitted on 1 Jan 1981

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Sections efficaces d’échange de charges dans la collision des ions multichargés Oq+ et Nq + sur le deutérium

moléculaire

S. Bliman, S. Dousson, R. Geller, B. Jacquot, D. van Houtte

To cite this version:

S. Bliman, S. Dousson, R. Geller, B. Jacquot, D. van Houtte. Sections efficaces d’échange de charges

dans la collision des ions multichargés Oq+ et Nq + sur le deutérium moléculaire. Journal de Physique,

1981, 42 (3), pp.399-404. �10.1051/jphys:01981004203039900�. �jpa-00209023�

(2)

Sections efficaces d’échange de charges dans la collision

des ions multichargés Oq+ et Nq+ sur le deutérium moléculaire

S. Bliman, S. Dousson, R. Geller, B. Jacquot et D. Van Houtte

D.R.F.C.-S.I.G. et D.R.F.-C.P.N., Centre d’Etudes Nucléaires de Grenoble, 85 X, 38041 Grenoble Cedex, France (Reçu le Il juillet 1980, révisé le 30 octobre, accepté le 13 novembre 1980)

Résumé.

2014

On étudie la section efficace de capture d’un ou de deux électrons par les ions Nq+ (2 ~ q ~ 7) et Oq+ (2 ~ q ~ 8) sur le deutérium moléculaire. Le domaine d’énergie considéré est compris entre 2 q et 10 q keV.

La section efficace de capture d’un électron varie en moyenne proportionnellement à q mais montre un compor- tement oscillatoire.

Abstract.

2014

The cross-section for one or two electron capture in the collision of Oq+ ions (2 ~ q ~ 8) and Nq+

(2 ~ q ~ 7) on molecular deuterium is studied. The energy range under consideration extends from 2 q to 10 q keV.

It is shown that the charge exchange cross-section for one electron varies as q but shows an oscillating behaviour

around this line.

Classification

Physics Abstracts

34.70

--

06.60

--

07.75

--

98.70Q

1. Introduction.

-

L’étude des processus d’échange

de charge lors de collisions d’ions multiplement chargés

sur des atomes ou des molécules est depuis quelques

années l’objet d’un intérêt [1] marqué. On a reconnu

leur importance dans différents domaines de la phy- sique : en physique des accélérateurs comme une cause

de pertes de particules [2] ; en physique de la fusion

[3, 4] et en astrophysique [5] les calculs d’équilibre

d’ionisation ne permettent pas une interprétation

satisfaisante des résultats de mesure. Récemment,

on a introduit l’hypothèse que l’échange de charge

contribue au peuplement de niveaux très excités,

ce que des considérations classiques ne prévoyaient

pas (collision électronique sur des ions et conduisant à

l’excitation). Ce type de considérations d’ailleurs conduit à penser que l’obtention d’un rayonnement laser dans le domaine X pourrait précisément se produire par suite du peuplement de niveaux à partir

du continuum à la suite de l’échange de charge [6].

La capture électronique lors de la collision d’un ion

sur un atome ou une molécule est un processus dif- ficile à décrire théoriquement [7-10]. Si on considère

des ions multiplement chargés (q > 2) dans des

collisions à des vitesses inférieures à 2 x 108 cm/s,

on remarque que les sections efficaces sont géné-

ralement grandes (supérieures à lO-15 cm2).

Aux vitesses relatives faibles, dans les modèles

théoriques couramment utilisés, on suppose géné-

ralement que les partenaires de la collision forment

une quasi-molécule [11] : les états stationnaires de cette quasi-molécule représentent le système en colli-

sion à tout instant et lorsque la distance intemucléaire varie. Ce n’est que très récemment que des calculs ont été effectués sur des systèmes ions multiplement chargés

--

molécules d’hydrogène à basse énergie [7, 8, 10]. Ces processus jouent certainement un rôle

important dans les pertes d’énergie des plasmas

confinés magnétiquement [12,13].

Nous avons mesuré les sections efficaces de capture d’un et deux électrons par les ions azote Nq 1 (2 q 7)

et par les ions oxygène Oq t (2 q 8) lors de

collisions sur le deutérium moléculaire dans un

domaine d’énergie compris entre 2 q et 10 q keV.

2. Dispositif expérimental. Méthode instrumentale.

- La figure 1 représente le schéma du dispositif expérimental.

La source d’ions 1 : elle est du type à résonance

cyclotron des électrons, à deux étages [14]. Dans le

1 er étage est créé au sein d’un gaz à une pression de

l’ordre de 10-4 torr un plasma froid constitué d’ions

une fois chargés et d’électrons froids (Te ~ 10 eV).

Ce plasma diffuse vers le second étage. Ce second étage comporte une structure de bobines

-

générant

un champ en bouteille magnétique

-

et un hexapole magnétique

-

générant un champ à variation radiale.

La superposition des deux champs magnétiques

donne une configuration dite à B minimum confinant le plasma. Dans ce deuxième étage une onde de haute

fréquence WH.F.

=

10 GHz

=

Wce (pulsation cyclo- tronique des électrons) chauffe les électrons du plasma ;

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01981004203039900

(3)

400

Fig. 1.

-

Schéma du dispositif expérimental.

[Experimental device.]

ceux-ci dégradent leur énergie dans des collisions d’ionisation des ions. La source est portée à la haute

tension positive réglable entre 2 et 10 kV. Un extracteur

au potentiel de la masse permet l’obtention du fais-

ceau d’ions multiplement chargés.

A la sortie de la source, les ions sont analysés et séparés en qlM à l’aide d’un aimant de 168° d’angle

de déflexion. Pour éviter les erreurs systématiques

dues à la présence possible d’impuretés donnant des rapports qlM se confondant avec ceux des divers ions de l’oxygène 1608 ou de l’azote 14N7, on a utilisé

pour les expériences impliquant l’oxygène l’isotope

1808, pour celles impliquant l’azote l’isotope ’IN7

levant ainsi à basse énergie toute difficulté d’identi-’

fication (présence d’ions Hi de rapport qlM

=

1/2

du fait du dégazage des parois métalliques de la source).

Après sélection du rapport qlM choisi, le faisceau

collimaté et diaphragmé entre dans la chambre de collisions. Une cage de Faraday escamotable corrigée

de l’émission électronique secondaire reçoit le faisceau.

On transmet ensuite au travers du 2e aimant d’analyse, identique au ler, jusqu’au collecteur de mesure. Les collecteurs de mesure sont reliés soit à un amplifi-

cateur à grand gain (cas des forts courants) soit à un

électromètre à condensateur vibrant (cas des mesures

des faibles courants de 10- 9 jusqu’à 10-14 A).

En l’absence de faisceau d’ions le gaz est admis dans le volume de collision ; on effectue la mesure de pression pi à l’intérieur du volume de la chambre de

collision (celle-ci est un cylindre de 15 cm de diamètre

et 25 cm de haut ; sur deux génératrices diamétralement

opposées, on a disposé le diaphragme d’entrée

-

diamètre 3 mm - et le diaphragme de sortie

-

dia-

mètre 10 mm) et la pression p2 dans le volume envi- ronnant la chambre de collision.

Puis dérivant l’arrivée de gaz vers le volume envi- ronnant la chambre de collision, on mesure P2 et la

pression P’ dans la chambre ; celle-ci est peu affectée

et reste la pression limite ( 10- 6 torr). Cette pro- cédure préalable permettra l’évaluation et la mesure

du courant parasite affectant les mesures.

Lorsqu’un état de charge qlM est sélectionné, en

l’absence de gaz cible, on mesure le courant d’ions

incident. Puis injectant le gaz cible, à chaque valeur

de la pression dans la chambre, on mesure le courant

itotal formé par échange de charges des ions sur le

deutérium moléculaire.

La pression dans la chambre varie entre 10- 6 et 5 x 10- 5 torr. Une fuite automatique régulée en pression est utilisée pour l’admission de gaz dans la chambre de collision. La pression environnante est

toujours d’un ordre de grandeur inférieur, au moins.

On mesure ensuite, et dans les mêmes conditions de courant incident, le courant d’ions formé par échange

de charges sur le gaz environnant la chambre de collision I parasite. On retranche ce courant du courant total Itota, ; on obtient ainsi le courant dû à la capture d’un ou deux électrons sur la cible

La détermination des sections efficaces fait usage de la méthode du taux de croissance. Injectant un

faisceau d’ions dans une cible gazeuse, les variations des courants associés aux différents états de charge

sont décrites par le système d’équations différentielles [15]

avec

uvf est la section efficace d’échange de charge de

l’ion v fois chargé devenant f fois chargé ; 1v est le

courant de particules associé aux ions de charge v.

Lorsque l’épaisseur de cible 7r

=

no 1 (no densité du

gaz, 1 longueur de la cible) tend vers zéro et que de plus

le courant incident ne comporte qu’un seul état de

charge i, tous les courants 1 v(O) s’annulent sauf 1,(0).

Dans ces conditions, le système différentiel se réduit à

La section efficace se déduit de la pente de la partie

linéaire de la courbe 1 fil en fonction de l’épaisseur n

de la cible au voisinage de n

=

0 (approximation de la

(4)

collision unique [16]) soit dans nos conditions expéri-

mentales :

On en déduit (Jq,q-i la section efficace de capture de i électrons dans la collision d’un ion de charge q +

sur la molécule de deutérium. Dans le cas présent,

on considère i

=

1, 2.

La figure 2 représente le schéma de principe du système de mesure. L’ensemble est sous contrôle d’un calculateur qui effectue l’acquisition et le trai-

tement des mesures.

Fig. 2.

-

Schéma du dispositif d’acquisition de données et d’éva- luation des sections efficaces.

[Data acquisition and delayed cross-section calculation device.]

Le fonctionnement de la source est impulsionnel :

la durée des impulsions de H.F. est de 1 s, le cycle

utile de 0,5.

La procédure de conduite des mesures décrites plus

haut est effectuée à chaque valeur de la tension d’extraction.

Les valeurs des sections efficaces sont obtenues avec une précision de l’ordre de ± 20 % résultant de la

somme des erreurs sur les courants ( ± 2 %), sur la longueur de la cible ( ± 8 %) et sur la pression ( ± 10 %).

La stabilité de la source et l’instrument de mesure

utilisé (électromètre à condensateur vibrant) permet-

tent la précision de ± 2 % sur les courants. Du fait

de l’écoulement moléculaire du gaz hors de la chambre de collision, une zone de pression perturbée s’étend

sur une longueur estimée au diamètre des trous

permettant au faisceau d’ions de transiter par la cible : d’où une incertitude Al/1 de ± 8 %. La précision

autorisée par les jauges utilisées est par construction et étalonnage de l’ordre de ± 10 %.

3. Résultats. Discussion.

-

La section efficace de capture d’un et de deux électrons dans la collision

d’échange de charge a été mesurée dans l’intervalle

d’énergie 2 q - 10 q keV (soit une tension d’accélé- ration des ions variable entre 2 et 10 kV).

Les processus considérés sont schématiquement :

.

3.1 CAS DE L’OXYGÈNE.

-

La figure 3 représente

pour les deux réactions considérées l’évolution de la section efficace de capture de 1 électron et de 2 élec-

trons dans une collision unique des ions oxygène sur

le deutérium en fonction de la charge initiale de

l’oxygène. Les valeurs portées sur la figure sont la

moyenne des valeurs mesurées dans la gamme

2 q - 10 q keV, pour un état de charge considéré,

la section efficace étant quasi constante dans l’inter- valle d’énergie. Dans un domaine d’énergie couvrant partiellement le nôtre (E > 5 q keV), D. H. Crandall

et al. [17-19] ont publié des valeurs expérimentales de

sections efficaces de capture d’un électron pour oq+ + H2 ---+ ü(q-l)+ + H2 pour q = 3, 4, 5, 6.

Compte tenu des incertitudes sur les résultats on peut

noter un recoupement des valeurs pour q

=

3, 4 et 5 ; dans le cas q

=

6, les valeurs de D. H. Crandall et al.

faibles peuvent s’expliquer par des pertes de comptage, le courant d’ions incidents étant très faible. Une

Fig. 3.

-

Sections efficaces de capture d’un et de deux électrons dans la collision Oq+ + D2 en fonction de la charge q.. : résultats présentes ;1: résultats (Réfs. [17-19]) ; P : Réf. [9] ; S : Réfs. [24, 25] ;

O.S. : Réf. [8] ; G.J. : Réf. [7].

[One and two electron capture cross-sections in the collision O9+ + D2 as function of charge q.1: solid dots : present results ; 1 : solid triangles (Refs. [17-19]) ; P : Ref. [9] ; S : Ref. [24, 25] ;

O.S. : Ref. [8] ; G.J. : Ref. [7].]

(5)

402

structure oscillatoire apparaît dans la variation de Uq,q-l en fonction de q, jusqu’à q

=

8 (cette structure

oscillatoire observée par D. H. Crandall et al. dans le

cas de l’oxygène jusqu’à q

=

+ 6 apparaît également

dans le cas de collisions d’ions Afl + sur H2 [20] et D2 [21]). Elle semble dépendre de la charge, l’ampli-

tude de l’oscillation s’atténuant lorsque q est grand.

Un comportement similaire a été prévu théoriquement

par H. Ryufuku et al. [22] dans le cas de la collision d’ions multiplement chargés sur Ho (hydrogène ato- mique) à basse énergie.

La capture de deux électrons dans le cas de la collision d’ions oxygène a été abordée par D. H. Cran- dall et al. [18] pour q

=

5 et q

=

6. Dans le cas q

=

5, la section est constante sur l’intervalle d’énergie considéré, leur valeur étant en accord avec la nôtre.

Dans le cas q

=

6, D. H. Crandall et al. [18], une

variation forte en fonction de l’énergie est indiquée

que ne corroborent ni les résultats présents ni ceux publiés dans le cas de capture multiple par différents ions sur différentes cibles [23]. Pour la comparaison

avec les approches théoriques on a reporté sur la figure 3, en trait mixte, l’évolution de aq,q-1 calculée

par L. P. Presniakov et al. [9] :

pour v vo, f (v/vo)

=

1, P.I. Cible (eV) étant le potentiel d’ionisation de la cible en eV. On remarque comparant aux valeurs expérimentales que cette valeur théorique est trop faible. La courbe en poin-

tillés représente la courbe

Cette expression, due à E. Salzbom et al. [24], résulte

d’un traitement par méthode de moindre carré d’un ensemble de 102 valeurs expérimentales de sections efficaces mesurées. Les résultats de calculs théoriques

effectués par R. E. Olson et al. [8] pour le systèmes

Oq+ + H2, aux grandes valeurs de q, s’écartent notablement de nos valeurs expérimentales. Si on

effectue la somme de aq,q _ 1 et aq,q - 2 et que l’on compare aux valeurs calculées par T. P. Grozdanov

et al. [7], on note un accord excellent, la variation de 6

étant en moyenne linéaire en q. Pour le cas de la capture de 2 électrons, on a représenté l’expression

telle que proposée par A. Müller et al. [25], expression

formulée après traitement par une méthode de moindre carré de résultats expérimentaux publiés

avant septembre 1977. Dans cette approche, les

auteurs suggèrent que soit prise pour P.I. Cible la

somme des potentiels successifs d’ionisation, soit ici

33,6 eV, somme du potentiel d’ionisation de la molé-

cule, de l’énergie de dissociation et du potentiel

d’ionisation de l’atome ; un accord relatif est obtenu

pour q

=

3 et q

=

8.

3.2 CAS DE L’AZOTE.

-

La figure 4 représente

pour les deux réactions considérées la variation de la section efficace de capture d’un et de deux électrons par les ions Nq+ sur D2 en fonction de la charge

initiale.

Fig. 4.

--

Sections efficaces de capture d’un et de deux électrons dans la collision Nq+ + D2 en fonction de la charge q. 0 : résultats

présents ; à : résultats (Réfs. [17-19]) ; S : Réfs. [24, 25] ; P : Réf. [9] ;

O.S. : Réf. [8] ; G.J. : Réf. [7].

[One and two electron capture cross-sections in the collision N9+ + D2 as function of charge q. 0 : open dots : present results ; A : solid triangles (Refs. [17-19]); S : Refs. [24, 25]; P : Ref. [9];

O.S. : Ref. [8] ; G.J. : Ref. [7].]

.

Comme on l’a déjà observé antérieurement, les sections efficaces aq,q-l et Qq,q _ 2 pour q donné sont

constantes dans le domaine d’énergie considéré [21, 26].

Les valeurs portées sur la figure 4 sont les valeurs

moyennes obtenues dans la gamme d’énergie, l’écart type autour de ces valeurs moyennes étant de ± 8 %.

On a porté, sur ce diagramme, les valeurs expérimen-

tales publiées par D. H. Crandall et al. [19] dans le

cas de N3+, N4+, N5+ capturant un électron dans la collision sur H2 : ce sont les valeurs moyennes mesu-

rées sur l’intervalle d’énergie (5-25) q keV, la disper-

sion autour de la valeur moyenne étant ± 10 %. On

remarque ici, comme on l’a noté dans le cas des col-

lisions de l’oxygène sur le deutérium, une structure

oscillatoire de la section efficace a q,q - 1 en fonction

de q. Cette structure s’inscrit autour d’une variation

moyenne linéaire en q. Dans la limite des possibilités

(6)

de comparaison (3 q 5) avec les résultats [19],

on note des valeurs en bon accord et une bonne

reproduction de la structure des oscillations

-

bien que globalement translatés vers des valeurs inférieures

aux nôtres.

La comparaison aux valeurs théoriques permet les remarques suivantes : pour q 3, aucune approche théorique ne semble décrire l’évolution de O’q,q-1

de façon satisfaisante. On a représenté l’évolution moyenne de O’q,q-1 correspondant à l’expression (5)

ci-dessus [24, 25] ainsi que la courbe correspondant

à l’expression (4) ci-dessus [9]. Enfin sont également figurés les résultats des analyses théoriques du système Xq+ + H2 dus à T. P. Grozdanov et al. [7] et à

R. E. Olson et al. [8]. On remarque un assez bon accord de la variation moyenne de O’q,q-1 avec les résultats de l’analyse [7].

En ce qui concerne la capture de deux électrons,

elle est assez convenablement décrite par l’expression (6) ci-dessus [25] lorsque q

=

3 et q

=

7.

3.3 DISCUSSION.

-

L’ensemble des résultats expé-

rimentaux présentés montre que les oscillations semblent être liées à la charge de l’ion incident. Ces

oscillations s’inscrivent autour d’une courbe moyenne déduite des mesures d’expression a. - 1- 8,1 x

10-16 q (cm2), valeur proche du résultat théorique de

T. P. Grozdanov et al. [7]. En ce qui concerne les

oscillations elles-mêmes, elles ont été analysées théori- quement dans le cas de collisions d’ions sur Ho [22]

seulement, aux vitesses inférieures à vo. On peut noter d’après cette analyse pour q > 4 une alternance de maximums et de minimums, les maximums associés

aux valeurs de q paires, les minimums aux valeurs impaires de q. Cette alternance apparaît sur les valeurs

expérimentales. On a bien en effet : U4,31 U6,51 03C38,7 maximums et 03C33,2, 03C35,4’ 03C37,6 minimums. Le tableau 1

montre l’évolution de 0’ q,q-1 calculée par H. Ryufuku

et al. [22] comparée aux valeurs mesurées pour l’azote et l’oxygène.

Tableau 1.

,

Les maximums calculés dans le cas Ho sont en

accord avec les valeurs mesurées dans le cas D2.

On peut remarquer que l’observation d’un ion de

charge (q - 1) + peut également correspondre aux

réactions : ’-

la première voie correspondrait à une double capture suivie d’une autoionisation. Une réponse se trouverait

dans une tentative de spectroscopie des électrons.

Ceci pose un problème sur la signification de la capture double. On peut noter toutefois le grand écart entre les

valeurs de u,,, - 1 et Uq,q- 2 (un ordre de grandeur) ;

ceci permet d’inférer qu’une partie limitée de la section efficace de capture double est probablement mélangée

avec la capture simple. La deuxième voie apparaîtrait

mais avec en plus une perte d’énergie pour le projectile (une mesure d’énergie du projectile après collision permettrait de conclure).

En ce qui concerne la capture double, on peut

remarquer que le temps de collision est court devant les temps de rotation et vibration de la molécule D2 ;

il semblerait plus justifié d’introduire, conformément

au principe de Franck-Condon [27], l’énergie verticale

de la molécule. Toutefois, à défaut de calculs théo-

riques concernant les collisions étudiées ici, on a adopté l’expression expérimentale (6) mentionnée plus haut.

Il faut souligner l’importance des processus décrits ici. Dans le cas de la capture d’un électron par N’ +

ou O8 +, l’ion résultant est hydrogénoïde fortement excité; il rayonnera immédiatement. Ce type de

processus conduit d’ailleurs à une reconsidération du bilan des pertes d’énergie par les impuretés dans les plasmas d’hydrogène ou de deutérium [28]. L’obser-

vation spectroscopique post-collisionnelle des ions multi-chargés contribuerait à la compréhension et à

la connaissance des voies de sortie de la collision.

Le fait de la constance observée de la section efficace

en fonction de l’énergie lorsque vo est en accord

avec toutes les analyses théoriques. A plus haute énergie v > vo, on doit voir Uq,q-k diminuer. Ceci est confirmé expérimentalement [29, 30] et corrobore

nos résultats pour la capture double par 06 + .

4. Conclusion.

-

Dans le domaine d’énergie 2 q - 10 q keV, la capture électronique d’un électron dans la collision d’échange de charge Oq+ + D2

et Nq+ + D2 est pour q donné constante (q > 3).

La section efficace 03C3q,q _ 1 exprimée en fonction de q s’écrit :

Autour de cette variation moyenne qui décrit bien les résultats présents et ceux publiés [20, 21], on note une

oscillation dont les maximums peuvent être interprétés

à l’aide d’un modèle U.D.W.A. (Unitarized Distorted

Wave Approximation) utilisé pour le système Xq+ + Ho [22]. L’amplitude des oscillations diminue à la limite des q élevées.

Il n’y a pas de modèle théorique décrivant la capture double.

On peut enfin souligner que pour la capture d’un

électron, les mesures présentes avec N6 +, N’ +, 07+,

08 + sont sans précédent à basse énergie; pour la

capture double, elle a été très peu étudiée

antérieurement.

(7)

404

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