ÉTUDE SPECTROSCOPIQUE PAR BOMBARDEMENT ÉLECTRONIQUE DES NIVEAUX EXCITÉS D'ÉLÉMENTS PEU VOLATILS ET DE GAZ RARES

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Submitted on 1 Jan 1969

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ÉTUDE SPECTROSCOPIQUE PAR

BOMBARDEMENT ÉLECTRONIQUE DES

NIVEAUX EXCITÉS D’ÉLÉMENTS PEU VOLATILS ET DE GAZ RARES

M. Chenevier, G. Goullet

To cite this version:

M. Chenevier, G. Goullet. ÉTUDE SPECTROSCOPIQUE PAR BOMBARDEMENT ÉLECTRON-

IQUE DES NIVEAUX EXCITÉS D’ÉLÉMENTS PEU VOLATILS ET DE GAZ RARES. Journal de

Physique Colloques, 1969, 30 (C1), pp.C1-84-C1-88. �10.1051/jphyscol:1969133�. �jpa-00213664�

Colloque C 1, supplément au no 1, Tome 30, Janvier 1969, page C 1

-

84

ALIGNEMENT ET ORIENTATION DANS UNE VAPEUR ATOMIQUE E X C I T ~ E PAR UNE DECHARGE H. F.

APPLICATIONS A L'ÉTUDE DES COLLISIONS ATOMES-ATOMES

Laboratoire d e Spectrométrie Physique, Faculté des Sciences d e Grenoble

Résumé.

-

Le travail exposé au Colloque est la continuation de celui qui a été décrit dans [ l ] [2].

Les résultats nouveaux seront publiés prochainement dans le Jownal de Physique.

Abstract.

-

The paper read a t the Conference is a continuation of the work described in [l] 121.

The new results will appear in the Journal de Physique.

Bibliographie [2] LOMBARDI (M.) et GIROUD (M.), ⁽⁽ Mise en évidence expérimentale et interprétation de l'orientation [ l ] LOMBARDI (M.), Colloque ^cc Excitation électronique d'atomes excités dans une décharge haute fré-

d'une vapew atomique, application à la Spectros- quence », C. R. Acad. Sci., 1968, 266, 60.

copie D, Grenoble, 1966, 1 6 1.

ÉTUDE SPECTROSCOPIQUE PAR BOMBARDEMENT ÉLECTRONIQUE DES NIVEAUX EXCITÉS D'ÉLÉMENTS PEU VOLATLLS ET DE GAZ RARES

M. CHENEVIER ET G. GOULLET

Laboratoire d e Spectrométrie Physique associé a u C . N. R. S.

Faculté des Sciences d e Grenoble

Résumé. - Nous avons utilisé une excitation électronique pour faire quelques mesures sur des niveaux excités atomiques. Des éléments peu volatils baryum et argent ont été étudiés sous forme de jets atomiques par effet Hanle. Des expériences de résonance magnétique du type Brossel ont été réalisées sur des gaz rares (Ne, Ar, Xe). L'observation de ces résonances a été permise grâce à l'emploi d'une technique d'accumulation de données améliorant nettement le rapport signal sur bruit.

Abstract.

-

Electronic bombardment excitation has been used for measwements on atomic excited States. The ⁽⁽ involatile » elements barium and silver have been studied in atomic beams by the Hanle effect. Magnetic-resonance Brossel-type experiments have b e n performed on rare gases (Ne, Ar, Xe). The observation of these resonances was made possible by a data storage technique which greatly increased the signal to noise ratio.

1. Introduction. -11 est connu qu'un jet d'élec- magnétique et d e résonance (effet Brossel). Ces trons, sensiblement parallèle, arrivant sur un système expériences o n t été décrites suffisamment souvent atomique lui transmet une excitation cohérente

[ I l

e t nous n'y reviendrons pas ici

[ I l

[23 [3] 141.

[4]. Ceci permet d e réaliser sur ce système plusieurs

types d'expériences notamment d e dépolarisation II. Expériences sur des éléments peu volatils.

-

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1969133

ÉTUDE SPECTROSCOPIQUE PAR BOMBARDEMENT ÉLECTRONIQUE Un certain nombre d'éléments exigent, pour atteindre

une pression de vapeur de l'ordre de

1ob3

torr, une température supérieure à 400 OC. II est alors impossible de les étudier dans des cellules de verre. Un moyen pour obtenir ces éléments sous forme d'atomes inter- agissant aussi faiblement que possible entre eux est de les évaporer sous vide en formant un jet atomique.

En dehors des mesures faites sur les états fondamen- taux ou métastables à très longue durée de vie par les méthodes de Rabi, les jets sont assez fréquemment employés dans des expériences de spectroscopie hert- zienne (croisement de niveaux, structures hyper- fines, etc ...) sur les états excités. Cependant dans ces expériences l'excitation se fait en général par des méthodes optiques et il est plus rare que des jets ato- miques soient excités électroniquement.

La figure 1 montre la disposition que nous avons adoptée pour nos expériences. Nous utilisons aussi un autre appareil dans lequel la géométrie est un peu différente, le chauffage du four se faisant alors par bombardement électronique. Une série de mesures a été effectuée sur le baryum [ 5 ] . Le four, source du jet atomique, est porté à environ 650 OC, les électrons d'excitation sont accélérés par une tension pouvant varier de 6 à 40 V suivant les expériences. Nous obser- vons en fonction du champ H appliqué la variation du taux de polarisation de la lumière émise dans la direction de ce champ, c'est-à-dire à la fois perpen- diculairement au jet atomique et au jet électronique.

Un appareil construit dans le laboratoire par M. Lom- bardi [6] nous permet par une mesure automatique de la polarisation de tracer directement sur un enregis- treur x, y fa polarisation en fonction du champ. Les niveaux 6p

'P,,

8s 3 ~ du Baryum et , 6p ^{' ~ 3} du ^{, ~} Baryum une fois ionisé ont été étudiés. Le tableau 1

Résultats obtenus sur Ba et Ba.'.

Transitions observées Taux de Energie Durée et niveaux étudiés polarisation d'excitation de vie

- ( %>

- (eV)

- (ns)

-

Ba 5 535

A

6 'Pi - 6 'So

6 'Pi 4 f 0,3 6 1 7 3 2

Ba 4619

A

8 ^{3 S l -} 6 PO

8 ^3Si 7 f 0,4 9 5 & 0,s Ba+ 4 554

A

6 2P312 - 6 2 S i ~ 2

6 2 P s r 2 2,8 h 0,3 25 10*1,5

FIG. 1. -Appareil à jet atomique avec canon à électrons.

FIG. 1. - 1. Four, creuset, canal. ^{- 2. ler} Ecran thermi- que. - 3. 2e Ecran thermique.

-

4. Colonettes supportant le canon ^à électrons. ^- 5. Grille. - 6 . Cathode. - 7. Boîte supportant la grille. - 8. Plaque. - 9. Flasques en alumine.

- 10. Jet. - 11. Cible refroidie ^à l'eau. - 12. Thermocou- ple. - 13. Alimentation filament 4- cathode. ^- 14. Alimenta- tion grille et plaque. - 15. Arrivée de courant du four. - 16. Joint torique. - 17. Cylindre de verre.

donne pour les différentes transitions étudikes le taux de polarisation obtenu et la durée de vie du niveau correspondant déduite de la distance des deux pics mesurée sur les courbes de dispersion Hanle.

La figure 2 donne deux exemples de courbes obte- nues de cette façon. Une série d'expériences est en cours sur le niveau 5 'D,,, de l'argent pour préciser les résultats d'une mesure effectuée dans de mauvaises conditions expérimentales en 1966.

M. CHENEVIER ET G . GOULLET

FIG. 2. - a ) Dépolarisation de la raie 5 535 A du Ba.

b) Dépolarisation de la raie 4 619 A du Ba.

(Courbes de dispersion obtenues avec des polariseurs placés à 4 5 O par rapport à la direction d'excitation.)

III. Expériences sur les gaz rares. - A. MÉTHODE ET APPAREILLAGE. - L'étude que nous avons commen- cée sur les gaz rares s'est faite jusqu'à présent par l'observation de résonances du type Brossel. L'excita- tion est électronique et les expériences sont réalisées dans des cellules semblables à celles que Pébay-Peyroula utilisait pour le mercure [l]. Il est assez difficile d'observer l'effet Brossel sur les gaz rares car les raies spectrales sont d'une part faiblement polarisées et d'autre part fort nombreuses et assez rapprochées.

Nous serons donc obligés pour observer une transi- tion seule, de disposer un appareil suffisamment dis- persif entre la cellule et les détecteurs de lumière et ce au détriment de la quantité de lumière récupérée.

Aussi pour observer ces résonances, il s'est avéré nécessaire d'extraire un signal d'un bruit du même ordre de grandeur. Nous nous sommes orientés, pour cela, vers une technique d'accumulation de don- nées [7].

Principe. - Les détecteurs (ici un P. M.) fournissent une information X(t) = S(t)

+

B(t). S est un signal répétitif (résonance) de période T, B est le bruit superposé. Le but est d'extraire S en diminuant B.

Une intégration rigoureuse annulerait B, on peut s'en approcher avec un filtre intégrateur RC mais il est préférable d'utiliser une méthode séquentielle.

La période T est divisée en n intervalles de durée û =

'.

Période après période, aux temps t = j e

+

^nrT

n

on stocke dans le canal de la mémoire d'un analyseur multicanaux les nombres

Pi,

qui sont obtenus en

envoyant X(t) dans un convertisseur analogique digi- tal. Ces nombres sont sommés dans la mémoire et au bout de M périodes nous aurons

j variant de 1 à n la courbe de résonance sera décrite par n nombres Zj. Un calcul élémentaire montre que

sortie entrfe

et une étude plus poussée [7] [8] montre qu'en outre il peut être intéressant de compléter ces séquences par un sous échantillonnage et de disposer avant le convertisseur analogique digital un filtre RC.

Réalisation. - Le courant électronique d'excita- tion du gaz atomique est modulé à 90 Hz. Un champ statique Ho et un champ de radiofréquence H l (fré- quence v) sont appliqués ; v étant maintenue fixe nous décrivons la résonance en faisant varier Ho.

Deux photomultiplicateurs observent la lumière émise

A

travers des polaroïds orientés parallèlement et perpendiculairement au champ Ho. Un préamplifi- cateur est monté à la sortie de chaque

P.M.

Les signaux issus de ces préampli sont envoyés dans un détecteur synchrone différentiel qui les détecte et les soustrait. Le signal de sortie en est transmis à I'ana- lyseur multicanaux. (Intertechnique SA 40 B, modi- fié [7] [9]). Un bloc de commande assure deux fonc- tions distinctes à partir d'un seul pilote de référence.

l o Donne les ordres à l'analyseur c'est-à-dire per- met l'échantillonnage et assure l'avance adresse (choix du canal).

20 Fait progresser le champ Ho à l'aide d'un géné- rateur de marches en escalier.

Pour avoir un synchronisme parfait et une répéti- tivité correcte le principe d'un générateur de marches faisant progresser le champ pas à pas en continu a été retenu de préférence à celui d'une avance en dents de scie. Nous pouvons nous placer ainsi sur une valeur du champ et faire une mesure statique du courant.

De cette façon, l'égalité des marches n'aura pas besoin d'être rigoureuse pourvu qu'elle soit répétitive, la valeur absolue du champ de chaque marche étant connue. Notre générateur de marches entièrement transistorisé délivre 99 marches correspondant aux 99 canaux d'un sous-groupe de l'analyseur.

L'appareillage total ainsi que ses performances sont décrits d'une manière très complète dans la réfé- rence![7].

ÉTUDE SPECTROSCOPIQUE PAR BOMBARDEMENT ÉLECTRONIQUE c l - 87

Résultats obtenus sur I'argon

Raies observées Niveaux g Durée de vie

et transitions correspondantes étudiés en s

-

^{- -}

4 2 ~ A 5 p Z 3 4 s 1 2 Pz3 1,294

+

^{0,003 1,71}

+

^0,05.10-'

4300A 5p2, 4 s l l 5 Pz2 1,085

+

^{0,006 1,3 f 0,2.}

4 190

A

5pZ2 4 s12

4 0 4 4 A 4 s l l 5 P ; Z 1,180

+

^{0,008 0,8}

+

0 , l . IO-' B. RÉSULTATS.

-

Cet appareillage a permis d'ob-

server des résonances sur l'argon [7] [IO], le néon et le xénon. Les résultats relatifs aux niveaux de l'argon ont été obtenus à partir de nombreuses séries de mesures et avec l'appareillage décrit nous ne pouvons pas prétendre obtenir une meilleure précision. Le tableau II donne les niveaux de l'argon observés les facteurs de Landé et les durées de vies que nous avons mesurés. Les résultats relatifs aux niveaux du néon sont donnés avec une précision très inférieure (Tableau III) qui elle est susceptible d'être améliorée

FIG. 3. -

nettement. ^- Résonance du niveau 4 p 2 2 du néon v = 7 MHz

TABLEAU III

Résultats obtenus sur le néon 4

P,,

^PL, 4 ~ f ,

g , ~ correspond aux valeurs de g données par Moore (1 1) _{j : 4,36 3 = f,l f :0,98}

1 Transitions Niveaux ^g~ g 7

. .

^{& & .1}

(ns)

.. ...

-

-

-

-

^*.

'.

Les figures 3,4 et 5 donnent des exemples de courbes obtenues avec notre appareillage. Nous ferons deux remarques :

10 La courbe de la figure 4 montre trois raies de résonance qui ne sont pas suffisamment séparées pour permettre des mesures précises. Le cas est encore plus net si nous considérons la courbe obtenue à 35 MHz avec le xénon (figure 5). Donc nous pouvons pour- suivre notre étude et notamment identifier les niveaux du xénon que nous observons (effet de cascade). Pour cela il est indispensable de travailler a des fréquences plus élevées ce qui suppose un champ Ho plus fort donc des modifications importantes de notre appareillage.

20 Nous ne donnons pas de résultats sur le xénon car bien que nous ayons observé des courbes de résonance sur plusieurs transitions (3 800

A,

4 200

A

et 4 624 A) ces courbes correspondent à des facteurs

de Landé égaux entre eux aux erreurs près (approxi- FIG. 4.

-

Resonances observees sur le neon à 35 MHz

M. CHENEVIER ET G. GOULLET

7 MHz 14 MHz

28 MHz 35 MHz

FIG. 5 . - Résonances

mativement g = 1,27) et nous n'avons pas encore pu identifier avec sûreté quel était le ou les niveaux que nous observions.

IV. Conclusion.

-

Ces expériences sur les gaz rares nous ont montré que la technique par accumu- lation de données permettait un gain très important sur le rapport signal sur bruit des résonances tout en conservant une précision et une répétitivité compa- rable à celles du montage classique [3]. Cette qualité doit être attribuée au balayage du champ par paliers qui tout en autorisant une longue durée de stockage ne présente pas les inconvénients inhérents au balayage en dents de scie. Nous sommes en train d'améliorer notre appareillage pour pouvoir notamment travail- ler à des champs Ho plus élevés. Nous pensons que cette technique jointe à celle des jets atomiques pour- rait permettre l'étude de niveaux encore inexplorés de nombreux éléments.

observées sur le xénon.

Références

[ l ] PEBAY-PEYROULA (J.C.), J. Physique, 1959,20,669,20, 721.

[2] HANLE, 2. Physik, 1924, 30, 93.

[3] BROSSEL (J.), Ann. Phys., 1952, 7, 662.

BROSSEL (J.), B~ITER (F.), Phys. Rev., 1952, 86, 308.

[4] NEDELEC (O.), J. Physique, 1967, 27, 660.

[5] CHENEVIER (M.), VIALON (R.), PEBAY-PEYROULA (J. C.), Phys. Letters, 1968, 26 A, 291.

[6] LOMBARDI (M.), 1966, Colloque Intern. sur i'excitation électronique d'une vapeur atomique, Grenoble (C. N. R. S. Paris, 1967), p. 161 Brevet no 121815.

[7] GOULLET (G.), Thèse Ingénieur Docteur, Grenoble, 1968.

[8] BONNET (G.), Nuclear Instrum. Methods, 1965,37,217, 1965, BIST, 1965, 96, 15.

[9] GAGNAIRE (D.), SICARD (F.), SPIVAK (V.), MAGNE-

RON (D.), Nuclear. Instrum. Methods, 1966,44, 81.

[IO] PATUEL (D.), Diplôme d'Etudes Supérieures, Grenoble, 1967.

[ I l ] MOORE (C. E.), Atomic Energy Levels, NBS, 1949.