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RÉALISATION D’UN DISPOSITIF POUR DES
ÉTUDES D’ABSORPTION OPTIQUE EN PRÉSENCE
DE CHAMPS MAGNÉTIQUES PULSÉS
M. Certier, J. Merle, S. Nikitine, C. Wecker
To cite this version:
JOURNAL DE PHYSIQUE Colloque C 3, supplément au no 5-6, Tome 28, mai-juin 1967, page C 3-88
RÉALI SATION D'UN DI SPO SITIF
POUR DES ÉTUDES D'ABSORPTION OPTIQUE
EN PRÉSENCE DE CHAMPS MAGNÉTIQUES PULSÉS
M. CERTIER, J. C. MERLE, S. NIKITINE et C. WECKER, Laboratoire de Spectroscopie et d'Optique du Corps Solide,
Institut de Physique, Université de Strasbourg
Résumé.
-
Ce mémoire est consacré à la description d'une installation de champs magnétiques pulsés, destinée à étudier l'influence de champs magnétiques forts (100 < H < 200 kG) sur les spectres d'absorption à basses températures (4,2 OK) de cristaux semiconducteurs. Le champ magnétique est obtenu par la décharge d'une batterie de condensateurs de 9 000 joules d'énergie dans une double bobine de fil de cuivre refroidie à l'azote liquide. L'alternance du champ magnéti- que est de I'ordre de 1 ms. L'optique comprend une source à éclairs de brève durée (50 ps) dont i'image est projetée sur l'échantillon au moment où I'intensité du champ magnétique est maximale. La lumière transmise est analysée par un spectrographe à réseau Bausch et Lomb à haute disper- sion (4 A/mm). Le noircissement de la plaque photographique est obtenu par la répétition d'un nombre raisonnable d'éclairs.On décrit l'étude de l'effet Zeeman de la raie 1 s de la cuprite (1 = 6 098
A
à 4,2 OK) à l'aide de ce dispositif.Abstract. - A device for magneto-absorption experiments at low temperature (4.2 OK) in high pulsed magnetic fields (100 < H < 200 kG) is described. The magnetic field is obtained in a double coi1 immersed in liquid nitrogen. A set of capacitors supplies a energy of 9 000 joules. The magnetic field is applied for about 1 ms. The samples are illuminated by a flash lamp when the magnetic field reaches a maximum value. The spectra are studied photographically on a grating spectrograph of high resolution (4 A/mm).
We have tested the apparatus by studying the Zeeman effect of the n = 1 line (1 = 6 098
A
at 4.2 OK) of cuprous oxide.
Introduction. - L'effet Zeeman des raies exci- tion relative du champ qui en résulte est fournie en toniques et la plupart des expériences de magnéto- première approximation par l'équation :
absorption nécessitent des champs magnétiques forts.
AH Le dispositif que nous présentons est développé en
-
- $
.(G)~.
vue d'obtenir un champ magnétique supérieur à H - (1)
100 kG, utilisable avec un montage d'absorption Bobine w 2
optique comprenant un spectrographe de haute disper- % v- 500 volts
sion. En effet, si la réalisation [l, 2, 31 de champs magnétiques entre 100 et 300 kG par voie pulsée n'offre pas de difficulté majeure, par contre en raison du phénomène transitoire du champ magnétique, i'étude de l'absorption est un problème délicat si on désire conserver l'avantage que fournit un champ fort et qui consiste à travailler avec un spectrographe très
dispersif mais peu lumineux. t I en rns
O .l
1. Etude de l'absorption.
-
La figure 1 montre FIG. 1.-
Variations du champ magnétique et de l'intensité le principe de la méthode. Un éclair lumineux illumine ~ ~ ~ i ~ , ~ , ~ , fonction du temps. Les ordonnées sontl'échantillon lorsque le champ est maximum. La varia- en unités arbitraires.
RÉALISATION D'UN DISPOSITIF POUR LES ÉTUDES D'ABSORPTION OPTIQUE c 3 - 8 9
En choisissant une durée d'éclair z de 50 us et une I
période de champ T de 2 ms, ce rapport est inférieur à 0,5
%.
Il est possible dès lors d'étudier l'absorption à l'aide d'une source à éclairs à spectre continu, suivant deux méthodes distinctes :
La première consiste à utiliser un spectrographe et demande la répétition d'un nombre suffisant de déchar- ges pour impressionner une plaque photographique. La seconde consiste à comparer, en chaque point du spectre, les intensités transmises par l'échantillon en présence du champ et à champ nul.
Ces deux méthodes sont en réalité complémentaires, mais nous n'envisageons ici que le cas de la détection photographique.
2. Choix d'un dispositif. - Le champ magnétique est créé par la décharge d'une batterie de condensa- teurs à travers un bobinage de faible impédance. La nature de ce bobinage, solénoïde ou hélicoïde, est déterminée par les considérations suivantes.
La direction d'observation optique doit être perpen- diculaire à la direction du champ magnétique.
La période du champ doit être grande afin que le rapport précédent (1) soit faible, ce qui demande une self de bobinage élevée, puisque la capacité a été fixée par ailleurs à partir de considérations énergétiques. Le volume utilisable doit permettre l'emploi d'un cryostat à hélium liquide.
Enfin, la répétition d'un grand nombre d'éclairs exige une synchronisation entre le champ et l'éclair ainsi qu'une reproductibilité de la valeur maximale du champ qui soient parfaites. Ce dernier point sera réalisé en déclenchant la batterie de condensateurs au moyen d'un ignitron.
3. Description du montage. - La figure 2 repré- sente le dispositif expérimental adopté. Un ensemble de deux bobines en fil de cuivre, prises dans un bloc homogène d'araldite, plonge dans un bain d'azote liquide. Le cryostat est métallique avec des fenêtres optiques en verre ultrasil. Un passage étanche permet au faisceau lumineux d'éviter la traversée du liquide. a) DOUBLE BOBINE. - La géométrie d'une bobine et les performances qui résultent de l'association de deux de ces bobines (bobine no 2) sont indiquées dans le tableau 1. Les valeurs théoriques sont calculées en utilisant les travaux de Champion 141. Le rapport entre le champ Ho au centre optique et le champ Hm au
centre d'une bobine est de 70
%.
Il correspond à une distance entre bobine de 5 mm. L'accord entre la penteH,/V mesurée et calculée est satisfaisant si on tient compte des difficultés de bobinage au voisinage du
B.A : Bobines coulées dans l'araldite. D : Disque d e séparation.
C : Collier d e Frettoge.
FIG. 2. - Montage cryostatique illustrant la disposition relative du champ magnétique par rapport à la direction de propagation de la lumière.
centre optique. La valeur maximale du champ suscepti- ble d'être réalisée est limitée par la résistance mécani- que de la bobine aux forces de rupture lorentziennes. Celles-ci sont difficiles à évaluer. L'expérience [5], [6] indique seulement que les meilleures bobines de ce type supportent 300 kG. On ne peut par suite espérer, avec cette disposition, obtenir un champ magnétique supérieur à 200 kG.
La figure 3 montre la variation du champ au centre optique de la bobine no 2 en fonction de la tension de
FIG. 3. - Variation du champ magnétique en fonction de la tension aux bornes des condensateurs. La bobine no 2 plonge dans i'azote liquide. Elle se compose de deux bobines distantes de 5 mm. Chaque bobine a un diamètre interne de 12 mm. Ses paramètres de forme sont a = f? = 2, ,9= - 1 = 4 .
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charge des condensateurs. L'intensité du champ est Le spectrographe est un appareil Bausch et Lomb déterminée à l'aide de la différence de potentiel induite à réseau de 1 200 traitslmm ouvert à f 120 présentant dans une petite bobine captrice. La croissance du une dispersion dans le premier ordre de 4 &mm. champ est linéaire jusqu'à la valeur de 140 k G atteinte L'enregistrement photographique nécessite des pla-
pour une tension de 2 kV. ques de grande rapidité.
L'homogénéité du champ mesurée avec une sonde de Hall Siemens, par suite de la finesse du cristal détec- teur et de sa grande sensibilité, est, dans l'intérieur de l'échantillon, de l'ordre de 2
%
suivant l'axe et meilleure que 0'5%
dans la direction radiale.b) DÉCLENCHEMENT DE LA BATTERIE DE CONDENSA- TEURS (2 000 pF, 3 000 VOLTS). - L'énergie des conden- sateurs est commutée dans la bobine à l'aide d'un ignitron TH 7050. La figure 4 montre le circuit de décharge des condensateurs. La commande de l'igni- tron 1 nécessite une impulsion de courant de 250 A de crête pendant 5 ps qui est fournie par le thyratron à hydrogène TH 4 C 35. Afin d'éviter l'allumage en retour de i'ignitron 1 qui se produit à la fin de la pre- mière alternance du champ, un second ignitron monté en parallèle aux bornes des condensateurs est allumé dès que la tension est devenue légèrement positive (montage « crow bar »). La précision d'allumage de l'ignitron 1 est d'environ 5 ps.
c) MONTAGE OPTIQUE. - Le montage d'absorption optique est classique. Les deux points intéressants sont la source et le spectrographe. La source .est un tube linéaire de 2 mm de diamètre et de 10 mm de hauteur. Le spectre présente les raies d'émission du gaz de remplissage (xénon) superposées à un fond continu intense. L'énergie par décharge est de 20 joules pour une durée d'éclair de 50 ys.
4. Résultats expérimentaux. - En vue de vérifier le bon fonctionnement de ce montage, nous avons choisi d'étudier la raie 1 s de la série jaune de la cuprite (il = 6 098
A
à 4,2 OK). Cette raie est bien connue ;elle correspond à une transition quadrupolaire élec- trique entre un état fondamental de symétrie
T:
et un état excitonique de symétrieI'&.
Le coefficient d'absorption maximum Km vaut 1 cm-', la largeurà mi-hauteur 0,7
A.
L'effet Zeeman [7] en champ moyen montre un triplet symétrique dont la polarisa- tion des composantes varie avec l'orientation du cristal par rapport à la direction du champ magné- tique.Une expérience effectuée avec un échantillon poly- cristallin épais (2 mm) plongé dans l'hélium liquide, en lumière polarisée, a nécessité la répétition de 30 éclairs à une cadence de tir de 1 éclair toutes les 30 secondes pour impressionner un film polaroïd
3 000 ASA. Le rapport entre la rapidité d'un film polaroïd et la rapidité d'une plaque Kodak IV F est d'environ 4. La tension de charge des condensateurs était pour cet essai de 1 kV. Le résultat de cet enregis- trement est satisfaisant. Il montre un triplet asymé- trique de raies fines et distinctes. En utilisant la valeur du facteur de décomposition spectrale mesurée en champ moyen (g = 1,7) l'écart des composantes extrêmes (Ail = 1,9
A)
fournit une valeur du champIaawSaaasL-] mT, L 5 0 ~ H
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c
3-91magnétique en excellent accord avec la valeur déduite Bibliographie de la courbe H(V).
Nous poursuivons l'étalonnage de ce dispositif, mais dès maintenant on peut affirmer, face à la qualité du triplet observé, qui: le montage est au point.
Conclusion. - Ce montage forme un ensemble cohérent. Cependant, la durée d'exposition reste un inconvénient sensible. Pour y remédier, l'adaptation d'un tube amplificateur de brillance est à l'étude et une méthode de mesure de l'intensité transmise par tube photomultiplicateur est en cours de réalisation. Dès à présent, ce dispositif est susceptible d'étudier un effet Zeeman à basse température avec tout l'inté- rêt que procure une grande dispersion (4 &mm) et un champ magnétique élevé (140 kG).
[ l ] STRAKHOVSKI (G. M.) et KRAVTSOV (N. V.), Soviet Physics, Uspekhi, 1963, 2, 260.
[2] Colloque International du C.N.R.S. sur (( Les champs
magnétiques intenses, leur production, leurs applications », Grenoble, septembre 1966 (à
paraître).
[3] MISU (A.), AOYAGI (K.), KUWABARA (G.) et SUGANO (S.), C. R. du 7e Congrès lntern. de Physique des Semiconducteurs, Paris 1964, p. 3 17-324 (Dunod).
141 CHAMPION (K. S. W.), PYOC. Roy. SOC., 1950, B 63,795. [SI GASKELL (G. S.), Generation and use of pulsed magne-
tic fields, Oxford Univ. Engeen. Lab.
[6] PERR~N (N. et B.), J. Physique, 1964,25, 168 A.
[7] CERTIER (M.), GRUN (3. B.) et NIKITINE (S.), J. Phy-
sique, 1964, 25, 361.
rayon rayon longueur diamètre nombre
interne externe 21 du fil de
a1 az en mm en mm tours en ms
en mm en mm
Paramètre d'une bobine Valeurs théoriques et expérimentales pour deux bobines de cette famille en série
