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RÉSUMÉ
Cet article est consacré aux principales techniques permettant de confiner les ions. La plus ancienne consiste à conjuguer l’action d’un champ magnétique et d’un champ électrostatique. Principalement utilisée en physique nucléaire, elle est à l’origine du piège de Penning, puis ensuite du premier cyclotron. La seconde technique s’appuie uniquement sur des champs électriques, soit statiques, soit statiques et alternatifs, avec pour application le dispositif à piège de Paul.
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-
Jean-Pierre SCHERMANN : Professeur à l’Université Paris-Nord
-
Michel VEDEL : Maître de Conférences à l’Université Aix-Marseille I
INTRODUCTION
Le confinement d’ions utilise deux techniques principales. La première s’appuie sur l’action conjuguée d’un champ magnétique et d’un champ électrostatique. Elle a en particulier donné naissance au piège de Penning. La seconde utilise des champs purement électriques et a donné naissance au piège de Paul.
Les dispositifs à confinement présentent sur les appareils concurrents une plus grande sensibilité liée à leur propriété d’accumulation des charges créées in situ et aux grands temps d’interaction que permet le stockage. Ainsi, les toutes premières applications des dispositifs à confinement, qu’ils soient « magnétique » ou « radiofréquence », ont porté sur la réalisation de jauges à vide très sensibles. Dans le cadre de l’étude des collisions réactives, la possibilité de créer une cible ionique dont on peut étudier l’interaction avec un gaz permet de réaliser un dispositif concurrent des méthodes traditionnelles fondées sur l’étude de l’interaction d’un faisceau d’ions sur une cible gazeuse.
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Le confinement d’ions utilise deux techniques principales. La plus ancienne s’appuie sur l’ action conjuguée d’un champ magnétique et d’un champ électrostatique pour confiner les ions et l’on peut dire qu’elle débute en 1930 avec la construction du premier cyclotron par E. Lawrence. L’idée est simple : une enceinte vidée, dans laquelle des ions sont créés, est placée dans un champ magnétique homogène. Les ions exécutent alors des trajectoires circulaires à la pulsation cyclotron :
avec :
- B :
- induction magnétique
- e :
- charge de l’électron
- m :
- masse de l’ion
Il est possible d’exploiter ces ions soit pour les accélérer et leur communiquer une énergie suffisante, soit pour mesurer leur masse. Cette technique a été utilisée dans de nombreux dispositifs, principalement en physique nucléaire. Il faudra attendre une vingtaine d’années pour qu’un instrument de taille raisonnable soit construit : constitué d’une cellule de 1 cm 3 environ, il a permis d’atteindre une précision en masse de 0,03 % environ pour le proton. Grâce à son faible encombrement, ce dispositif, appelé Omégatron, fut utilisé comme analyseur de gaz résiduel. Simultanément, grâce aux travaux de Baldeswieler, Beauchamp et al, en 1960, un appareil commercial, principalement conçu pour l’étude des collisions réactives est réalisé par Varian. En 1970, une dimension nouvelle fut donnée à cette technique par la mise au point de la spectrométrie de masse par transformée de Fourier. Les travaux de Comisarov, Marshall et McYver conduisirent à la réalisation d’un appareil exceptionnel quant à la résolution et aux possibilités de stockage et de détection des ions. Ces études ont ouvert la voie vers l’utilisation du piège de Penning, principalement en métrologie.
La deuxième méthode, développée plus tardivement, s’appuie sur l’ utilisation de champs purement électriques soit statiques, soit par...
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BIBLIOGRAPHIE
-
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