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�
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.
2014On 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.
2014The 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
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
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].]
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] :
’