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Pour de nombreuses expériences impliquant des ions multichargés lents (i.e. d’énergie de quelques keV) interagissant avec la matière, un bon contrôle de l’état de charge en amont de la collision est important. Cela est particulièrement vrai quand des mesures en coïncidence avec l’état de charge de l’ion après collision sont nécessaires, par exemple, dans des expériences ion-surface / matériaux 2D ou des études de collision ion-ion.
Comme les faisceaux d’ions multichargés peuvent subir des collisions avec les molécules du gaz résiduelles impliquant alors un changement en état de charge, il devient nécessaire d’insérer un système de sélection en état de charge en amont de la zone d’interaction d’intérêt. A cette fin et pour maintenir l’axe de propagation du faisceau d’ions, un système de purification en forme d’oméga composé de quatre déflecteurs cylindriques à 140 ° a ainsi été développé, installé et testé (figure 1).
Figure 1 : Vue de côté et coupe à travers le système de purification. Les déflecteurs cylindriques sont enfermés entre des électrodes dites de Matsuda. La polarité des électrodes déflectrices pour les faisceaux d’ions positifs est indiquée par des signes plus et moins. Le faisceau d’ions primaire est en noir : il traverse la structure au rayon effectif optimal. Les faisceaux avec un état de charge inférieur (capture, orange foncé) ou supérieur (ionisation, orange clair) sont triés en frappant la paroi du déflecteur.
Différents états de charge avec la même énergie cinétique ont des trajectoires différentes à l’intérieur de la structure de sorte que les ions qui ont subi une ionisation ou une capture dans des collisions avec la gaz résiduels peuvent facilement être filtrés. La focalisation du faisceau est réalisée par des lentilles de Einzel au début et à la fin de la structure ainsi que grâce à la focalisation intrinsèque des déflecteurs cylindriques dans le plan de déflexion. Pour une focalisation supplémentaire perpendiculaire à ce plan, des électrodes de Matsuda sont installées.
Une procédure de balayage en énergie (c’est-à-dire en balayant les tensions appliquées sur les électrodes) nous a permis de déterminer expérimentalement le pouvoir de résolution et d’identifier la présence d’états de charge indésirables dans le faisceau primaire entrant. Un exemple est donné sur la figure 2: on peut observer que les ions indésirables Ar8 + et Ar7 + sont bien séparés du faisceau d’ions Ar9+.
Figure 2 : Energy scans of a 14qkeV Ar9+ primary beam (solid black line). The dashed line is a fit of the primary charge state q0, and the dotted-dashed line is a fit of the single electron capture charge state q0 − 1. Vertical dotted lines represent the expected center of each charge state.
Un pouvoir de résolution de 10,5 et une transmission de 100% de l’état de charge souhaité ont été mesurés permettant une bonne purification des faisceaux d’ions entrants avec des états de charge jusqu’à 10+ et une assez bonne purification pour des états de charge jusqu’à 20+.
Collaborations
L’appareil a été développé en collaboration avec A. Mery et J. Rangama de l’équipe AMA du CiMAP (Caen). Il a d’abord été testé sur l’installation ARIBE et monté et re-testé avec succès sur l’installation SIMPA.
