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• Membres permanents : Emily Lamour, Christophe Prigent, Martino Trassinelli, Sébastien Steydli, Stéphane Macé, Dominique Vernhet
• Doctorante : Mariette Joly (2021-2024)

Les collisions ion-ion constituent un scénario unique pour tester nos connaissances des processus électroniques fondamentaux tels que la capture, l’ionisation et l’excitation (figure 1a). Leur étude est également motivée par le fait que ces processus sont fortement corrélées au transfert d’énergie ionique dans la matière, que cette matière soit sous forme solide ou sous forme de plasma.

 

Alors que des expériences ion-ion pour la physique des hautes énergies (comme celles du CERN) sont actuellement réalisées, les collisions ion-ion pour la physique atomique ont été jusqu’à présent principalement réalisées dans le contexte de plasmas magnétiquement confinés, c’est-à-dire dans le domaine des basses énergies (typiquement aux énergies de centre de masse E_CM≾ quelques 100 keV) où le transfert de charge est de loin le processus dominant c’est-à-dire le processus de capture en bleu sur la figure 1a.

Au contraire, des mesures et des prédictions théoriques fiables font totalement défaut pour les collisions entre des ions rapides et des ions lents avec des E_CM de 1 à quelques dizaines de MeV/u. Ce régime de collision est celui pour lequel le pouvoir d’arrêt des ions dans la matière est maximal (zone rose de la Figure 1b). C’est là que l’on observe les effets les plus forts sur la modification des matériaux irradiés, y compris les matériaux biologiques. Ce régime est caractérisé par le fait que tous les processus électroniques primaires ont des probabilités du même ordre de grandeur. Cela donne lieu à des « effets d’interférence » qui doivent être pris en compte dans le traitement théorique. Cet état de fait conduit à une situation paradoxale où, pour ce régime de vitesse, les sections efficaces sont très difficiles à prédire alors que leur connaissance est cruciale pour la compréhension des transferts d’énergie dans la matière.

Figure 1.a : Processus électroniques possibles lorsqu’un ion AQ+interagit avec un ion Bq+ .	Figure 1.b : Sections efficaces des processus élémentaires de collision atomique pour le système p® H. La zone rose correspond au régime de vitesse intermédiaire. La ligne brune représente le pouvoir d’arrêt (se référer à l’axe y de droite) pour les protons dans l’aluminium solide.

Dans ce contexte, l’équipe ASUR mène une collaboration internationale, nommée FISIC (Fast Ion – Slow Ion Collisions) impliquant des expérimentateurs et des théoriciens (~35 personnes de France, Allemagne, Autriche et Argentine). Les objectifs du projet FISIC sont d’explorer le rôle des électrons liés au projectile ionique (l’ion rapide) et/ou à la cible ionique (l’ion lent) – un par un – afin de quantifier plusieurs effets tels que les interactions électron-électron, les processus multi-électroniques et le rôle des forces de Coulomb agissant sur le nuage d’électrons dans les voies d’entrée et de sortie de la collision. Par conséquent, les études portant sur un large éventail de combinaisons projectile – cible devraient fournir des données originales sur la dynamique quantique des systèmes à N corps.

La réalisation d’expériences ion-ion pour la mesure de sections efficaces absolues reste un véritable défi qui implique plusieurs étapes à résoudre telles que le contrôle de l’état de charge des deux faisceaux d’ions, le contrôle du recouvrement entre les deux faisceaux d’ions, la conception de la chambre du collisionneur, les conditions d’ultravide (10^-11 mbar), la détection des ions produits sur le canal haute énergie ainsi que sur le canal basse énergie et un système d’acquisition rapide pour des mesures en coïncidence.

L’arrivée d’accélérateurs d’ions de nouvelle génération en construction tels que GANIL/SPIRAL2/S3 (France) et FAIR/GSI/CRYRING (Allemagne) ouvrira de réelles opportunités vers l’étude du régime de collision intermédiaire en fournissant des faisceaux d’ions de quelques MeV intenses de haute qualité optique. Parallèlement, notre équipe avec nos collaborateurs développent un dispositif expérimental unique de faisceaux croisés. Plus précisément, une plateforme à basse énergie qui fournira des faisceaux intenses d’ions lents sera connectée à l’accélérateur à travers une chambre où auront lieu des collisions ion-ion (voir la figure 2 qui illustre l’installation à CRYRING à titre d’exemple). Cette plate-forme FISIC à basse énergie est divisée en deux parties. La première, en amont de la zone de collision, est équipée d’une source d’ions reliée à une ligne de transport de faisceau bien adaptée pour mettre en forme le faisceau et le nettoyer des états de charge non désirés (voir page Equipements – Dispositif de purification de l’état de charge). Cette ligne de transport de faisceau est déjà montée sur l’installation SIMPA (Voir page Equipements – La ligne de faisceau basse énergie du projet FISIC) et la source d’ions devrait être livrée en 2021.

Figure 2 : L’installation FISIC sur l’anneau de stockage d’ions CRYRING au GSI. Un zoom montre la plateforme basse énergie équipée d’une source d’ions et d’une ligne de faisceau dédiée.