Institut des
NanoSciences de Paris
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Agrégats et Surfaces sous excitations intenses

De l’astrophysique en laboratoire, via des collisions entre ions et atomes lourds

Le rayonnement X observé dans le sillage des comètes s’explique essentiellement par des collisions entre leur halo atomique et les ions très chargés du vent solaire. Il informe sur l’abondance relative des éléments lourds dans l’espace intergalactique. Les chercheurs de l’INSP ont déterminé, avec une précision inégalée, les processus fondamentaux de capture affectant le cortège électronique, pour des systèmes mettant en jeu un grand nombre d’électrons et d’états : collisions-types du milieu interstellaire en laboratoire. L’analyse fine des spectres X de haute résolution remet en cause l’interprétation des données astrophysiques faite jusqu’alors à partir des mesures effectuées avec des faisceaux d’ions en laboratoire.

 

La collision entre les ions lents très chargés et les atomes du vide intersidéral est un des processus fondamental le plus répandu dans l’espace. La lumière émise à l’issu de ce processus permet, en particulier en astrophysique, de remonter à l’abondance relative des constituants des nuages intergalactiques. Pendant la collision, l’ion capture, dans un état très excité, un ou plusieurs électrons des atomes-cibles. Par un jeu de cascades, ces électrons « dégringolent » des couches très élevées de l’ion projectile, vers le niveau fondamental, soit en émettant un photon (transitions radiatives) ou bien en éjectant un électron (transitions non-radiatives) par des voies complexes et multiples, dépendant uniquement de la structure atomique de l’ion. L’analyse précise de cette lumière émise pendant l’interaction (de l’UV aux X durs), permet de remonter aux premières étapes des mécanismes de capture : quels sont les niveaux électroniques peuplés préférentiellement lors de la collision ? Quelle est la probabilité (section efficace) de ce phénomène de capture électronique (simple et multiple) ?

La dernière expérience, que les chercheurs de l’INSP ont réalisée auprès de l’installation ARIBEi du GANILii (à Caen), sur la collision d’ions lents d’Ar17+ (avec une vitesse de quelque pour mille de la vitesse de la lumière), sur une cible gazeuse de N2 ou Ar, a apporté des informations précieuses sur la dynamique d’interaction, dans le cas de collisions quasi-symétriques, mettant en jeu des ions multichargés et des atomes-cibles lourds. L’originalité de cette expérience, est d’avoir été capable d’enregistrer l’émission X, simultanément à basse et à haute résolution et de la combiner à une maîtrise du recouvrement « faisceau d’ions-atomes cibles » ; c.-à-d. de déterminer précisément la géométrie et le produit Nprojectile × Natome cible comme schématisé figure 1.

 

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Figure 1 : Schéma de la zone de collision entre le faisceau d’ions et le jet gazeux effusif d’atomes cibles.

 

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Figure 2 : Spectre à basse résolution obtenu avec un détecteur solide (silicon drift detector). La résolution permet de distinguer seulement l’ensemble du « paquet » de transitions n=2→1 de la transition n=3→1 et de la somme des transitions Σn→1 pour n≥4.

 

Jusqu’à ce jour, les seuls spectres X enregistrés pour ces systèmes de collisions quasi-symétriques, mettant en jeu un grand nombre d’électrons, ont été faits à basse résolution (∼ 200eV à 3 keV), comme celui présenté fig. 2. Avec leur spectromètre à cristal plan mosaïque, caractérisé par une bonne efficacité de détection, les chercheurs de l’INSP ont réussi à obtenir le même spectre d’émission, avec un gain de près de deux ordres de grandeur sur la résolution (∼ 3 eV à 3 keV). On peut ainsi distinguer sans ambigüité les différentes transitions atomiques 1snp→1s2, de n=2 à n=10 (entre 3130 et 4100 eV), ainsi que la contribution d’états métastables qui donnent lieu à des transitions d’énergie inférieure, autour de 3100–3120 eV (voir fig. 3).

 

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Figure 3 : Spectre à haute résolution obtenu avec un spectromètre à réflexion de Bragg équipé d’un cristal plan mosaïque. Les différentes transitions sont clairement identifiables et la mesure de leur intensité est utilisée pour investiguer la capture d’un ou plusieurs électrons.

 

Le rôle de la capture d’un seul électron de la cible, vers le projectile a pu être précisément déterminé et discerné, de la capture de plusieurs électrons : la « simple » capture est seule responsable des transitions provenant des niveaux très excités (de n=7 à 10), alors que la capture « multiple » contribue aux intensités des transitions provenant de n<7.

Ainsi, grâce à une calibration en absolue, de l’efficacité de leurs spectromètres et à une maîtrise de la région de croisement, entre le faisceau d’ions et la cible gazeuse, l’équipe « Agrégats et Surfaces sous excitations intenses » de l’INSP a atteint une précision inégalée dans la mesure des différentes sections efficaces de capture.

De plus, la grande qualité de ces mesures leur a permis de distinguer et d’étudier l’influence des états métastables sur l’émission X caractéristique de la collision. De fait, la radiation provenant de la désexcitation de ces états de longue durée de vie (de l’ordre de 0.2 µsec) et émis par des ions projectiles en mouvement, n’est que partiellement détectée par rapport aux autres transitions « rapides » (inférieures ou égales à quelque nsec). Ce n’est qu’en combinant spectroscopie de haute résolution et détermination précise de la géométrie de la zone de collision interceptée par les détecteurs, que l’effet de cette détection partielle peut être caractérisée, alors qu’il est présent et d’importance, dans toutes mesures effectuées avec des faisceaux d’ions. C’est à ce titre, que ces résultats remettent en cause l’extrapolation faite jusqu’alors à partir des mesures « en laboratoire » pour interpréter les spectres X provenant d’ions très chargés et observés en astrophysique.

 

Pour en savoir plus

M. Trassinelli et al., J. Phys. B 45, 085202 (2012)

voir l’article qui a été sélectionné par IOP pour un « LabTalk ».

Cet article a été sélectionné comme Highlights par deux revues :

Europhysics News et Journal of Physics B


iARIBE : Accélérateurs pour les Recherches avec les Ions de Basses Energies
iiGANIL : Grand Accélérateurs d’Ions Lourds