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11	Microscopie et spectroscopie de photodétachement; mesure de la section efficace de photodétachement de H- à 1064 nm par observation du comportement asymptotique du régime saturé / Photodetachment spectroscopy and microscopy; measurement of the photodetachment cross section of H- at 1064 nm by the observation of the asymptotic behaviour in the saturated regime Vandevraye, Mickael 13 December 2013 (has links) Dans cette thèse, nous initions la démonstration, à échelle réduite, de la faisabilité du photodétachement presque total, par laser, d’un jet d'ions négatifs d'hydrogène en cavité optique Fabry-Perot pour les futurs injecteurs de neutres destinés au chauffage des plasmas des réacteurs de fusion nucléaire.Nous élaborons une nouvelle méthode de mesure d’une section efficace de photodétachement, dont la connaissance à la longueur d’onde d’excitation est requise pour le dimensionnement de la cavité Fabry-Perot, basée sur l’observation de la saturation en régime d’éclairement impulsionnel. Le calcul analytique de l’accroissement du signal de détachement produit lors de l’éclairement d’un jet d’ions par une impulsion laser supposée gaussienne, fait apparaître une contrainte mathématique sur le flux requis pour transiter vers le régime saturé. Cette contrainte est une caractéristique de la transition vers la saturation pour toutes les expériences réalisées en faisceau gaussien et pour tous les processus d’interaction lumière-matière linéaires. Avec cette méthode, nous déduisons une section efficace de photodétachement de H- à 1064 nm – longueur d’onde sélectionnée pour les futurs injecteurs de neutres – en léger désaccord avec les prédictions théoriques.Pour réduire les exigences technologiques sur la cavité et le laser, nous étudions les résonances de Landau qui apparaissent dans le spectre de photodétachement en champ magnétique. S’asservir sur l’une de ces résonances permettrait d’augmenter la probabilité de photodétachement à un flux donné.Par ailleurs, nous présentons nos mesures des affinités électroniques du phosphore, du sélénium et de l’étain, réalisées avec le microscope de photodétachement. L'expérience de microscopie de photodétachement du phosphore est la première où l’atome neutre est laissé dans un terme excité. / In this thesis, we initiate the demonstration, at a reduced scale, of the feasibility of the almost-complete laser photodetachment of negative hydrogen ion beams in a Fabry-Perot optical cavity for future neutral beam injectors for the heating of fusion power plants plasmas.We develop a new method to measure a photodetachement cross section, the knowledge of which at the exciting wavelength is needed to scale the Fabry-Perot cavity, based on the observation of the saturation in a pulsed lighting regime. The analytical calculus of the detachment signal growth produced while illuminating a negative ion beam with a Gaussian laser pulse bring out a mathematical constraint on the required flux to pass through the saturated regime. This constraint is the signature of the transition toward the saturation for all experiment carried out in Gaussian beam and for all linear light-matter interaction processes. With this method, we measure the photodetachement cross section of H- at 1064 nm – selected wavelength for future neutral beam injectors – in slight disagreement with theoretical predictions.To reduce the technological requirement on the Fabry-Perot cavity and the laser, we study Landau resonances which appear in the photodetachement spectrum. Locking the laser on one of these resonances would allow increasing the photodetachment probability at a given flux.We also present our phosphorus, selenium and tin electron affinity measurements carried out with the photodetachment microscope. The photodetachment microscopy experiment of phosphorus is the first one where the neutral atom is left in an excited term. Ions négatifs Photodétachement Saturation Section efficace Hydrogène Cavité Fabry-Perot Injecteurs de neutres Résonances de Landau Microscopie de photodétachement Affinité électronique Negative ion Photodetachment Saturation Cross section Hydrogen Fabry-Perot cavity Neutral beam injector Landau resonances Photodetachment microscopy Electron affinity
12	Interaction d’atomes /ions hydrogène rapides (keV) avec des surfaces : diffraction et formation d’ions négatifs / Interaction of fast (keV) hydrogen ions/atoms with surfaces : diffraction and negative ion formation Xiang, Yang 14 September 2012 (has links) Le travail de cette thèse porte sur l’étude expérimentale de la diffusion d’atomes d’hydrogène sur des surfaces et sous incidence rasante. L’énergie des atomes et des ions varie de quelques centaines d’eV à quelques keV, tandis que les surfaces étudiées sont des isolants et des semi-métaux. En particulier on a étudié la formation de l’ion H- sur du graphite pyrolytique dit HOPG (highly oriented pyrolytic graphite) et sur une surface de LiF(001). Pour ce dernier système, nous avons étudié en détail la diffraction d’atomes H° et d’ions H+. Ces expériences ont été réalisées sur un montage expérimental utilisant un faisceau pulsé et permettant de détecter en coïncidence les particules diffusées et les électrons secondaires. L’ensemble permet de connaître la charge finale de la particule diffusée, sa perte d’énergie, son angle de diffusion, le tout en corrélation avec la statistique et l’énergie des électrons émis.Le résultat de ce travail a révélé que la diffraction persiste dans le régime inélastique. En effet, nous observons un motif de diffraction après la neutralisation de proton sur la surface de LiF(001). Un modèle est proposé pour expliquer ces résultats qui semblent en contradiction avec ceux publiés par le groupe de H. Winter sur la diffraction d’atomes d’hydrogène sur cette même surface. Concernant la formation d’ion négatif sur HOPG, nous avons mis en évidence un taux de H- (~10%) sur une surface propre. C’est le plus haut taux de H- jamais observé avec ce type d’expérience en incidence rasante. C’est encore plus élevé qu’avec des isolants ioniques, ces derniers donnant un taux déjà 10 fois plus grand que celui observé sur métaux propres. Ces résultats confirment l’efficacité du graphite à convertir des ions et des atomes en ions négatifs. En exploitant les données fournies par la technique des coïncidences, nous avons pu élucider le mécanisme à l’œuvre dans cette conversion. Du fait de la structure électronique particulière de HOPG, avec une bande interdite projetée dans la direction Gamma, seuls les électrons localisés sigma contribuent à la formation de l’ion négatif, donnant au HOPG un caractère isolant du point de vue de la capture électronique. Les électrons pi contribuant de manière efficace à la perte d’énergie par collisions binaires, donnant de ce point de vue au HOPG son caractère métallique. / In this thesis, we have investigated experimentally the scattering of hydrogen atoms and ions on solid surfaces at grazing incidence. The projectile energy ranges from several hundred eV to few keV. The formation of H- ions is studied on highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) surface; and surface diffraction is carried out on LiF(001) surface with H° and H+ particle scattering. Both experiments were performed in the same experimental setup (see Figure 1.2 and 2.1)—with grazing scattering geometry and a PSD (position sensitive detector) located downstream to record scattered particles. For charge state analysis a set of electrostatic plates is inserted between sample and PSD. During the experiment, coincident measurement technique is used to identify the energy loss associated to 0, 1, 2…electrons emission. Clear evidence of diffraction with inelastic scattering by proton on LiF(001) has been obtained, which has not been observed before. Indeed, the group of H. Winter reported that no diffraction exists with inelastic scattering of H° on LiF(001). However, according to our result, a coherence scattering factor still exists even though the electron capture by the proton is an inelastic process. For negative ion formation on HOPG surface, we report here the highest fraction of H- (~10%) measured in grazing scattering experiments; it is larger than those obtained on ionic insulators, the latter being typically 10 times larger than those measured on clean metals. These results confirm the high yields of negative hydrogen ions from graphite reported in the literature. Electron emission and energy loss of scattered beam have also been deciphered via coincidence measurement. Due to the special structure of HOPG, two kinds of electron emissions (σ and π-band electron) and energy losses (cycles and metal-like energy loss) have been measured. Furthermore, the total electron emission on HOPG with insulator-like behavior and total energy loss with metal-like are the most representative property of HOPG which have been first presented in this thesis. Diffraction sur des surfaces Diffraction d’atomes rapides Collision inélastique Neutralisation Charge image GIFAD Formation d’ions négatifs Cycles de pertes d’énergie Émission d’électrons Surface diffraction Fast atom diffraction Inelastic collision Neutralization Image charge acceleration GIFAD Negative ion formation Cycles energy loss Electron emission
13	Caractérisation du propulseur PEGASES : diagnostics du filtre magnétique et du faisceau : optimisation de la géométrie / Investigation of the PEGASES thruster : study of magnetic field and ion beam : geometry optimization Renaud, Denis 20 May 2016 (has links) Le propulseur de PEGASES est un moteur ionique qui diffère des autres technologies. La particularité de ce propulseur est l’utilisation d’un gaz électronégatif, à savoir le SF₆. Un champ magnétique est utilisé pour piéger les électrons et augmenter la production des ions négatifs. Le plasma résiduel à faible densité d’électrons, dit plasma ion-ion, permet l’extraction et l’accélération des ions positifs et négatifs. Les ions recombinent par paire dans le faisceau et garantissent la neutralité dans le faisceau. L’extraction d’une quantité équivalente d’ions positifs et négatifs permet ainsi d’éviter l’emploi d’un neutraliseur. Afin d’étudier les propriétés du faisceau ionique, une sonde EXB est utilisée pour diagnostiquer les vitesses et les proportions des molécules formées puis accélérées. La sonde n’étant pas parfaite, une calibration permet de déterminer avec précision les différentes espèces présentes dans le plasma. La présence d’ions positifs et négatifs ont pu être démontré via des mesures par sonde EXB. La technique de photo-détachement par laser est employée afin d’étudier les ions de charge négative. Cette méthode permet d’obtenir la proportion d’ions négatifs par rapport aux électrons. L’électronégativité dans ce type de décharge est très importante. La technique a montré l’importance du filtre magnétique. Cependant, la configuration de celui-ci n’est pas optimale puisqu’une structure est créée par la dérive électronique. Un nouveau propulseur à géométrie circulaire a été conçu, construit et testé. Cette nouvelle architecture utilise une dérive électronique fermée circulaire grâce à des aimants permanents. Les expériences ont validé le concept et montre l’importance d’une géométrie en anneau. / The PEGASES ion thruster differs from standard electric propulsion technologies through its use of electronegative gases, such as SF₆, as a propellant. Its operation relies on the trapping of electrons using a magnetic field and the creation of a plasma dominated by positive and negative ions. These ions are alternately accelerated to produce thrust, and later undergo a recombination to ensure beam neutrality. This thruster eliminates the need for an electron-producing neutralizer, which is a standard feature in other sources such as the Hall thruster. This thesis is divided into three parts. The first describes the development and implementation of a new EXB probe for the study of the ion beam properties, the identification of the beam chemical composition and the verification of the presence of negative and positive ion species. The second part concerns the design and application of a new laser photodetachment diagnostic for the measurement of the negative ion fraction. Lastly, a new ion-ion thruster with a circular geometry, known as AIPE, has been designed, constructed and successfully tested. This prototype eliminates the plasma asymmetry present in PEGASES and reveals the importance of the magnetic filter to source operation. Propulsion spatial PEGASES Ion négatif AIPE Moteur à grilles Photo-détachement par laser Sonde ExB Dérive électronique Space propulsion PEGASES Negative ion AIPE Ion engine Laser photodetachment ExB probe Electronic drift 621.46
14	A Radio Frequency Quadrupole Instrument for use with Accelerator Mass Spectrometry: Application to Low Kinetic Energy Reactive Isobar Suppression and Gas–phase Anion Reaction Studies Eliades, John Alexander 21 August 2012 (has links) A radio frequency (rf) quadrupole instrument, currently known as an Isobar Separator for Anions (ISA), has been integrated into an Accelerator Mass Spectrometry (AMS) system to facilitate anion–gas reactions before the tandem accelerator. An AMS Cs+ sputter source provided > 15 keV ions that were decelerated in the prototype ISA to < 20 eV for reaction in a single collision cell and re-accelerated for AMS analysis. Reaction based isobar suppression capabilities were assessed for smaller AMS systems and a new technique for gas–phase reaction studies was developed. Isobar suppression of 36S– and 12C3– for 36Cl analysis, and YF3– and ZrF3– for 90Sr analysis were studied in NO2 with deceleration to < 12 eV. Observed attenuation cross sections, σ [x 10^–15 cm^2], were σ(S– + NO2) = 6.6, σ(C3– + NO2) = 4.2, σ(YF3– + NO2) = 7.6, σ(ZrF3– + NO2) = 19. With 8 mTorr NO2, relative attenuations of S–/Cl– ~ 10^–6, C3–/Cl– ~ 10^–7, YF3–/SrF3– ~ 5 x 10^–5 and ZrF3–/SrF3– ~ 4 x 10^–6 were observed with Cl– ~ 30% and SrF3– > 90% transmission. Current isobar attenuation limits with < 1.75 MV accelerator terminal voltage and ppm impurity levels were calculated to be 36S–/Cl– ~ 4 x 10^–16, 12C3–/Cl– ~ 1.2 x 10^–16, 90YF3–/SrF3– ~ 10^–15 and 90ZrF3–/SrF3– ~ 10^–16. Using 1.75 MV, four 36Cl reference standards in the range 4 x 10^–13 < 36Cl/Cl < 4 x 10^–11 were analyzed with 8 mTorr NO2. The measured 36Cl/Cl ratios plotted very well against the accepted values. A sample impurity content S/Cl < 6 x 10^–5 was measured and a background level of 36S–/Cl < 9 x 10^–15 was determined. Useful currents of a wide variety of anions are produced in AMS sputter sources and molecules can be identified relatively unambiguously by stripping fragments from tandem accelerators. Reactions involving YF3–, ZrF3–, S– and SO– + NO2 in the ISA analyzed by AMS are described, and some interesting reactants are identified. radio frequency quadrupole rf quadrupole accelerator mass spectrometry AMS gas-phase reactions isobar suppression anion negative ion chlorine Cl 36Cl carbon trimer C3 sulphur sulfur sulphur oxide sulfur oxide SO methane CH4 nitrogen dioxide NO2 nitrous oxide N2O oxygen O2 argon Ar strontium Sr 90Sr SrF3 yttrium Y zirconium Zr ZrF3 trace isotope analysis superhalogen anion secondary ion mass spectrometry SIMS Cs sputter ion source rf quadrupole ion trajectory simulation anion gas reactions negative ion gas reactions gas-phase anion reactions S- + NO2 SO- + NO2 S- + N2O S- + O2 S- + Ar Cl- + NO2 Cl- + Ar Cl- + CH4 SrF3- + NO2 YF3- + NO2 ZrF3- + NO2 C3- + NO2 0768 0494 0605
15	A Radio Frequency Quadrupole Instrument for use with Accelerator Mass Spectrometry: Application to Low Kinetic Energy Reactive Isobar Suppression and Gas–phase Anion Reaction Studies Eliades, John Alexander 21 August 2012 (has links) A radio frequency (rf) quadrupole instrument, currently known as an Isobar Separator for Anions (ISA), has been integrated into an Accelerator Mass Spectrometry (AMS) system to facilitate anion–gas reactions before the tandem accelerator. An AMS Cs+ sputter source provided > 15 keV ions that were decelerated in the prototype ISA to < 20 eV for reaction in a single collision cell and re-accelerated for AMS analysis. Reaction based isobar suppression capabilities were assessed for smaller AMS systems and a new technique for gas–phase reaction studies was developed. Isobar suppression of 36S– and 12C3– for 36Cl analysis, and YF3– and ZrF3– for 90Sr analysis were studied in NO2 with deceleration to < 12 eV. Observed attenuation cross sections, σ [x 10^–15 cm^2], were σ(S– + NO2) = 6.6, σ(C3– + NO2) = 4.2, σ(YF3– + NO2) = 7.6, σ(ZrF3– + NO2) = 19. With 8 mTorr NO2, relative attenuations of S–/Cl– ~ 10^–6, C3–/Cl– ~ 10^–7, YF3–/SrF3– ~ 5 x 10^–5 and ZrF3–/SrF3– ~ 4 x 10^–6 were observed with Cl– ~ 30% and SrF3– > 90% transmission. Current isobar attenuation limits with < 1.75 MV accelerator terminal voltage and ppm impurity levels were calculated to be 36S–/Cl– ~ 4 x 10^–16, 12C3–/Cl– ~ 1.2 x 10^–16, 90YF3–/SrF3– ~ 10^–15 and 90ZrF3–/SrF3– ~ 10^–16. Using 1.75 MV, four 36Cl reference standards in the range 4 x 10^–13 < 36Cl/Cl < 4 x 10^–11 were analyzed with 8 mTorr NO2. The measured 36Cl/Cl ratios plotted very well against the accepted values. A sample impurity content S/Cl < 6 x 10^–5 was measured and a background level of 36S–/Cl < 9 x 10^–15 was determined. Useful currents of a wide variety of anions are produced in AMS sputter sources and molecules can be identified relatively unambiguously by stripping fragments from tandem accelerators. Reactions involving YF3–, ZrF3–, S– and SO– + NO2 in the ISA analyzed by AMS are described, and some interesting reactants are identified. radio frequency quadrupole rf quadrupole accelerator mass spectrometry AMS gas-phase reactions isobar suppression anion negative ion chlorine Cl 36Cl carbon trimer C3 sulphur sulfur sulphur oxide sulfur oxide SO methane CH4 nitrogen dioxide NO2 nitrous oxide N2O oxygen O2 argon Ar strontium Sr 90Sr SrF3 yttrium Y zirconium Zr ZrF3 trace isotope analysis superhalogen anion secondary ion mass spectrometry SIMS Cs sputter ion source rf quadrupole ion trajectory simulation anion gas reactions negative ion gas reactions gas-phase anion reactions S- + NO2 SO- + NO2 S- + N2O S- + O2 S- + Ar Cl- + NO2 Cl- + Ar Cl- + CH4 SrF3- + NO2 YF3- + NO2 ZrF3- + NO2 C3- + NO2 0768 0494 0605

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