Transport d'ions hydrogénoïdes rapides dans les solides : mise en évidence de l'écrantage dynamique
Résumé
Study of the transport of projectile excited states allows to test the ion-solid interaction, in particular to probe the response of the medium. Two kinds of phenomenon are involved in ion-solid collisions : the succession of ion-atom binary collisions, and the interaction between the ion and the electric field (“wake field”) induced in the medium. We built up the master equation for the density matrix of the core excited states of a swift heavy ion in a solid, taking both physical processes into account. We studied quantitatively the influence of the parameters involved in the description of the transport. In particular, the wake field is responsible for a coherent mixing of quasi degenerate levels. Experimental manifestation of this mixing bring information on the excited state population and the medium response. Using high resolution X-ray spectroscopy, we observed the evolution of np levels (2 < n < 5) as well as some fine structure (n=3) population of the projectile as a function of the target thickness. We present the full experimental study of the systems Kr35+ sur C and Al (E = 60 MeV/A), where excited states are initially populated by simple excitation. The master equation model reproduces faithfully these experimental results as well as those from precedent studies where excited states are populated by mechanical electron capture (MEC). On one hand, experiment-theory comparison allows access to crucial parameters of the excited states evolution, like the wake field value (around 1e9 V.cm-1) and its spatial variation on the atomic orbital scale. On the other hand, it allows to test initial conditions before the transport, in terms of cross sections and collisionnal coherences (excitation and MEC).
L'étude du transport des états excités permet de tester l'interaction ion-solide et en particulier de sonder la réponse du milieu. Deux sortes de processus interviennent lors de collision ion-solide : la succession de collisions binaires entre les atomes du solide et l'ion projectile, et son interaction avec le champ de polarisation (« champ de sillage ») qu'il induit dans le gaz d'électrons du milieu. Nous avons établi l'équation pilote qui régit l'évolution de la matrice densité des états électroniques internes d'un ion hydrogénoïde lourd et rapide dans un solide en tenant compte de ces deux processus physiques. Nous présentons une analyse quantitative de l'influence des paramètres intervenant dans la description du transport. En particulier le champ de sillage est responsable d'un mélange cohérent entre niveaux quasi dégénérés dont les manifestations expérimentales sont riches d'informations tant du point de vue du peuplement des états excités que de la réponse du milieu. Expérimentalement, des techniques de spectroscopie X à haute résolution sont utilisées pour observer l'évolution des populations des niveaux np (2 £ n £ 5) ainsi que de certains niveaux de structure fine du projectile en fonction de l'épaisseur de cible traversée. L'étude expérimentale complète des systèmes collisionnels Kr35+ sur C et Al (E = 60 MeV/A) où les états excités sont initialement peuplés par simple excitation est présentée. Le modèle théorique d'équation pilote reproduit très bien ces résultats expérimentaux, ainsi que ceux provenant d'études précédentes où les états excités étaient initialement peuplés par capture électronique mécanique (MEC). La comparaison expérience-théorie nous permet d'une part d'avoir accès à des paramètres clefs de l'évolution des états excités du projectile comme la valeur du champ de sillage induit (= 1e9 V.cm-1) et sa variation spatiale à l'échelle des orbites atomiques, et d'autre part de tester les conditions initiales avant transport en termes de sections efficaces et de cohérences collisionnelles (excitation et MEC).