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Accueil > Équipes scientifiques > Dynamiques et Interactions : Rayonnement, Atomes, Molécules (DIRAM) > Photoionisation des ions atomiques et moléculaires

Photoionisation des ions atomiques et moléculaires

Jean-Marc Bizau, Denis Cubaynes, Ségolène Guilbaud

L’activité de ce groupe est basée sur l’étude expérimentale des processus de photoionisation, dans la gamme d’énergie de photon XUV, de différentes espèces ioniques (ions atomiques multichargés, ions moléculaires…). Les mesures des paramètres physiques caractérisant ces processus (sections efficaces absolues, énergies d’excitation…), réalisées au centre de rayonnement synchrotron SOLEIL, sont comparées aux prédictions issues de différentes théories. Cette confrontation, menée en étroite collaboration avec plusieurs groupes de théoriciens, permet d’améliorer les modèles de mécanique quantique développés pour la modélisation des plasmas astrophysiques (milieu interstellaire, atmosphères planétaires…) et de laboratoire (plasmas laser, tokamak…).

Nébuleuse planétaire
Nébuleuse planétaire
Hubble@NASA

Quatre-vingt-dix-neuf pourcents de la matière dans l’Univers se trouvent sous forme de plasma, une soupe d’ions, d’électrons et de photons. Le but de nos expériences est d’obtenir les données atomiques les plus précises possibles sur les processus d’interaction entre les photons et diverses cibles ioniques allant des ions atomiques multichargés, aux ions négatifs et aux petits ions moléculaires. L’intérêt de ces études est multiple. D’ordre fondamental tout d’abord, elles permettent de décrire avec grande précision les multiples effets des interactions électron-électron intervenant au sein des édifices atomiques et moléculaires. Une bonne connaissance de ces processus dans les systèmes simples est un préalable indispensable à leur compréhension dans les états plus complexes de la matière.

En particulier pour les plasmas, le quatrième état de la matière, la spectroscopie est l’outil privilégié servant à décrire l’état thermodynamique et la composition chimique du milieu. Des données de laboratoire sur les ions atomiques multichargés, qui peuplent les plasmas chauds, et les ions moléculaires positifs et négatifs, participant à la chimie des ionosphères planétaires, est indispensable à l’interprétation des spectres enregistrés par les observatoires spatiaux. D’autre part, dans les plasmas denses et chauds, la connaissance des sections efficaces de photoabsorption est primordiale pour la description du transfert de rayonnement, puisque c’est sous cette forme que se propage une grande partie de l’énergie dans ces milieux. Ce mécanisme est très important pour la fusion par confinement inertiel. Il intervient aussi en astrophysique où il contrôle, par exemple, l’équilibre radiatif-gravitationel des étoiles.

De SILURE à MAIA

Nos premières études ont été réalisées au laboratoire LURE d’Orsay (voir le poster "de SILURE à MAIA"), jusqu’à sa fermeture en 2003.

MAIA
MAIA

Deux montages expérimentaux sont actuellement utilisés : un montage en faisceaux colinéaires (MAIA, pour Multi-Analysis Ion Apparatus) et un petit piège à ions (MICRA) de type FT-ICR (Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance). Tous deux utilisent le rayonnement synchrotron émis par l’anneau de stockage SOLEIL à St-Aubin. MAIA est implanté de façon permanente sur une des sorties de la ligne de lumière PLEIADES. Il permet la mesure en valeurs absolues des sections efficaces de photoionisation sur les différentes cibles ioniques. Il est optimisé actuellement pour la détection de la charge des ions après l’interaction avec les photons. D’autres types de spectroscopie lui seront progressivement ajoutés, les spectroscopies d’électron et de fluorescence. MICRA peut être installé sur les lignes de lumière DESIRS ou PLEIADES. Il permet l’étude d’ions relaxés dans l’état fondamental et, grâce à sa haute résolution en masse, il est particulièrement bien adapté à l’étude des ions moléculaires.

Spectres de photoionisation de Fe VA titre d’exemple, la figure ci-contre montre des spectres de photoionisation de l’ion Fe V. La mesure expérimentale, réalisée en valeurs absolues à l’aide d’un montage en faisceau colinéaires, est donnée par la courbe noire. Elle permet de tester efficacement et d’améliorer les modèles atomiques détaillés développés pour décrire les opacités spectrales, comme ici les résultats d’un modèle pour les plasmas chauds et denses dont les résultats sont représentés par la courbe rouge, et un modèle pour les enveloppes stellaires (Opacity Project, courbe bleue).

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