Spectroscopie atomique ii l'aide d'un accClCrateur Van de Graaff: Applications ii I'hClium et ii I'azote

Centre de Recllerches srtr les Arornes et les Molicules (CRAM) er Lahoratoire rlrt Varr de Graaff, D&rtelrlellt de Plzysiqtre, Urliversiti Laval, Qrtkhec, Qltibec

R e p le 12 novembre 1968

La technique "faisceau-lame" a ttt appliquee pour I'Ctude des spectres d'htlium et d'azote dans la region de I'ultra-violet lointain. De nombreuses raies ont etC observees et identifiees.

Canadian Journal of Physics, 47, 859 (1969)

Introduction modele CN151 uouvant uroduire une diffirence

Un faisceau d'ions accelCrts, apres passage au travers d'une cible mince, peut Etre utilisC comme source lumineuse pour effectuer des Ctudes spectroscopiques. Cette nouvelle mtthode (ap- pelCe technique "faisceau-lame") a CtC mise au point et dCveloppCe independamment par Kay (1963) et Bashkin (1964, 1965). Dans notre laboratoire, les premieres expCriences en ce domaine furent effectuCes B l'aide d'un spectro- graphe Meinel (Bashkin et Beauchemin 1966). Nous possCdons maintenant un spectroscope pouvant balayer la rCgion de l'ultra-violet. L'hClium et l'azote ont CtC CtudiCs.

de potentiel d l 5.5 MV. Pour une Cnergie de 800 keV ou plus, nous avons obtenu un faisceau de He' d'environ 4 PA. Des faisceaux d'azote, de 500 nA k 1 PA, ont CtC obtenus pour des Cnergies supkrieures B 1 MeV. Pour des Cnergies plus faibles, nous avons procCdC de la faqon suivante: un faisceau d'ions molCculaires N,', d'Cnergie E, donnait, apres collisions avec la cible, un faisceau d'ions atomiques dlCnergie E/2. Nous avons Cgalement observe un faisceau de cette Cnergie provenant de collisions des ions N,' avec les molCcules du gaz residue1 dans la canalisation situCe entre 17aimant d'analyse et l'aimant de distribution.

Le faisceau traversait une cible mince (cf. Fig. Conditions ExpCrimentales 1); le montage des cibles sur un support rotatif

Le faisceau d'ions provenait d'un accClCrateur nous uermettait de changer de cibles au besoin - Van de Graaff ( ~ i ~ h Voltage Corporation, sans buvrir la chambre. De plus, ce support

Van d e G r a a f f c

sor t ie du

phoiomultiplicateur

courant d ' i o n s

' T i c d J e n i r i e

pompes

FIG. 1. Montage expCrimental.

Can

. J. P

hys.

Dow

nloa

ded

from

ww

w.n

rcre

sear

chpr

ess.

com

by

Uni

vers

ity o

f Q

ueen

slan

d on

11/

22/1

4Fo

r pe

rson

al u

se o

nly.

CANADIAN JOURNAL O F PHYSICS. VOL. 47, 1969

I

I I

FIG. 2. Raies observtes dans I'hClium: Energie incidente: 1.0 MeV; cible: 90 pg/cmz.

FIG. 3. Diagramme de Grotrian de He I.

pouvait ttre dCplacC paralldement au faisceau sur une distance d'environ 10 cm. Nous avons utilist des cibles de carbone dont les Cpaisseurs variaient (selon le certificat des fournisseurs) entre 10 et 120 pg/cm2.

La lumiire tmise par le faisceau ttait analysCe au moyen d'un monochromateur (f/24) Seya- Namioka, de 0.5 m de rayon (McPherson Co. modkle 235). Ce spectroscope, lorsqu7employt

avec un rtseau de 600 l/mm, tail16 dans le "blaze" pour une reflexion maximum B 1500 A, permet de couvrir la rtgion spectrale de 500 B 6000 A: la rtsolution est de l'ordre de 1 A. I1 Ctait relit2 directement B la chambre des cibles, le vide accCICrateur-chambre-spectroscope ttant commun.

Le detecteur Ctait un photomultiplicateur EMI/US 95148, prCcCdt d'une couche de sali-

Can

. J. P

hys.

Dow

nloa

ded

from

ww

w.n

rcre

sear

chpr

ess.

com

by

Uni

vers

ity o

f Q

ueen

slan

d on

11/

22/1

4Fo

r pe

rson

al u

se o

nly.

GlRARDEAU ET AL.: SPECTROSCOPIE ATOMIQUE

TABLEAU I RCsultats pour He I et He I1

Observees ( + 3 A) Transition

Autres Tables1 auteurs2

Second ordre de 1215

7p 'PO - 3s 2S 6p 'Po - 3s 'S 5p 2P0 - 3s 'S Second ordre

de 1640 4p 'PO - 3s 2s

TroisiCme ordre de 1640

'Moore (1949); Wiese el al. (1966); Kelly (1968). 2(a) Bashkin et Beauchemin (1966). (6) Bickel et Bashkin (1967).

cylate de sodium agissant comme substance fluorescente. Le photomultiplicateur alimentait un micromicro-ampkremetre Keithley, modkle 414-27, dont la sortie Ctait relike B un appareil enregistreur Bristol, modkle 590. Afin d'amklio- rer le rapport signal-bruit nous avons, d'une part, enlevC les masques du rCseau (ce qui donne une ouverture de l'ordre de f/l I) et d'autre part, nous avons refroidi le photomultiplicateur B l'aide d'un bain ethanol - CO, solide. Nous avons pris soin de porter l'anneau de refroidisse- ment au mCme potentiel que la photocathode.

Le spectroscope fut calibre au moyen de sources de Hg et de Ne (tubes Cenco). Ces sources de gComCtrie rectiligne furent plackes a I'endroit mCme oh passe normalement le fais- ceau.

Rksultats et Discussions ( A ) L'he'lium

La Fig. 2 reprksente un spectre typique pour I'helium. Les conditions de l'experience Ctaieilt les suivantes: Cnergie des ions incidents de H e + : 1.0 MeV; intensite du courant: 4 pA; epaisseur de la cible: environ 90 pg/cm2; fentes d'entrie et de sortie: 0.4 mm; tension appliquee aux bornes du photomultiplicateur: 1600 V. Les resultats obtenus sont resumes dans le Tableau I. L'inten- site de la raie situke B 4920 A est attribuee au

FIG. 4. Diagramme de Grotrian de He 11.

E(cm")

438,908-

425,000-

400,000-

375,000-

35q000-

325,000.

troisikme ordre de 1640 A (He II), quoiqu'une certaine contribution due 2 He I (4922 A, 4d 'D - 2p 'Po) soit possible.

Sur les Figs. 3 et 4, sont reprCsentCs les dia- grammes de Grotrian de He I et He I1 respective- ment. Les transitions observees sont indiqukes par un trait continu, tandis que celles non observees le sont par une ligne pointillke. Cependant certaines lignes observees pouvant correspondre A plus d'une transition sont indi- qutes par une ligne formee de traits et de points. Les mCmes remarques s'appliquent dans le cas du diagramme de Grotrian de N 111.

(B) L'azote La Fig. 5 reprbente un spectre typique pour

l'azote. Les conditions de l'experience etaient les suivantes: Cnergie des ions incidents N + : 1.4 MeV; intensite du courant: 650 nA; tpaisseur de la cible 60 pg/cm2; fentes d'entrte et de sortie: 0.4 mm; tension appliquke aux bornes de photo- multiplicateur: 1250 V. Les resultats obtenus sont rCsumCs dans le Tableau 11. Sur les Figs. 6a

E(eV1

,54403

. 6 0

. 4 8

. 4 0

He II

a 6 5

; ; I I

1 3

I I

3 : : : : ( I

I I

: : ; : : I , '

I , , , I I

I D

I I I ,

' , 1 O Q * ' , , :::::: = I : I - - - - m m m

I I I ' * I , (Dm*-(D 0

m o m - m m I I ( ~ ~ r - m r n ~ , , e m N N N N

I I I I , : 3 I

I I I

I I I I ' I

, I I

I , ' , I 8

I ' I

, 1

I a I I

I I

0 )

j j : I ( I

: : : I , I 1 1

: : : : s l l 1

I ' f , 8 1 , 1 1 , 1

4 , : I

I S . I

n u r m r-

Can

. J. P

hys.

Dow

nloa

ded

from

ww

w.n

rcre

sear

chpr

ess.

com

by

Uni

vers

ity o

f Q

ueen

slan

d on

11/

22/1

4Fo

r pe

rson

al u

se o

nly.

CANADIAN JOURNAL O F PHYSICS. VOL. 47, 1969

TABLEAU I1 RCsultats pour I'azote

Identification" Intensite relativeb

ObservCes 0 . 6 MeV, 1 . 4 MeV, 2.0 MeV, 2.65 MeV, (k 3 A) CompilCes Esptces Transition 120 nA 650 nA 800 nA 1 . 0 pA

j p 3 z p o - Z;1z zp 3s 'PO - 3s 'S 2p ZPO - 2s 3~ 3P - 2~~ 3D0

Second ordre T I P 77n

Second ordre de 925

4p 'P -3s 'PO 4fZ ZFO - 3d Z D 2p 3P0 - 2s 3S

Second ordre

Second ordre de 1240

Second ordre de 1325

ONon normaliste au nombre de photons incidents. bMoore (1949). Wiese el 01. (1966). Kelly (1968). cVie moyenne mesurCe par Bickel, Girardeau et Bashkin (sournis A Phys. Lett.). dErikv,on (1958) a observC 2974 A (N 11). Hallin (1966) a observt 2974 A et 2980 A (N V).

Can

. J. P

hys.

Dow

nloa

ded

from

ww

w.n

rcre

sear

chpr

ess.

com

by

Uni

vers

ity o

f Q

ueen

slan

d on

11/

22/1

4Fo

r pe

rson

al u

se o

nly.

GIRARDEAU ET AL.: SPECTROSCOPIE ATOMIQUE 863

FIG. 5. Raies observtes dans I'azote: Energie incidente: 1.4 MeV; cible: 60 pg/crn2.

FIG. 6, Diagramme de Grotrian de N 111.

et 6b, est reprCsentC le diagramme de Grotrian de N 111. Les autres diagrammes, correspondant aux diffkrents Ctats d'ionisation de l'azote, sont disponibles chez les auteurs.

Les rCsultats obtenus sont encourageants et des Ctudes similaires B l'aide de faisceaux d'ions Ne', F', 0' et C' sont actuellement en cours. Nous nous proposons Cgalement de representer nos rhsultats sous forme de diagrammes de Grotrian.

Remerciements

Nous remercions, d'une part, le Conseil National de Recherches pour les subventions accordtes B CRAM et au groupe de Physique. atomique et molCculaire (A-45). D'autre part, la Commission de 1'Energie Atomique du Canada

accorde un appui financier au laboratoire de I'accClCrateur Van de Graaff. L'un de nous, R. G., a r e p une bourse du Gouvernement de la Province de Quebec. Nous avons Cgalement bCnCficiC de la collaboration de 1'Cquipe de I'accClCrateur. Des discussions fructueuses avec le pere G. Beauchemin, s.j., furent apprCciCes.

BASHKIN, S. 1964. Nucl. Instr. Methods, 28, 88. 1965. Science, 148, 1047.

BASHKIN, S. et BEAUCHEMIN, G. 1966. Can. J. Phys. 44, 1963.

BICKEL, W. S. et BASHKIN, S. 1967. Phys. Rev. 162, 12. ERIKSSON, K. B. S. 1958. Arkiv Fysik, 13, 303. HALLIN, R. 1966. Arkiv Fysik, 31, 511. KAY, L; 1963. Phys. Lett. 5, 36. KELLY. R. 1968. Atomic emission lines below 2000

angstroms, Naval Research Laboratory, Rept. 6648. MOORE, C. E. 1949. Atomic energy levels, Vol. 1, NBS

Circ. 467 (US. Government Printing Office, Wash- ington, D.C.).

WIESE, W. L., SMITH, M. W. et GLENNON, B. M. 1966. Atomic transition probabilities, Vol. 1, NSRDS- NBS-4, Washington, D.C.

Can

. J. P

hys.

Dow

nloa

ded

from

ww

w.n

rcre

sear

chpr

ess.

com

by

Uni

vers

ity o

f Q

ueen

slan

d on

11/

22/1

4Fo

r pe

rson

al u

se o

nly.