HAL Id: jpa-00206841
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Submitted on 1 Jan 1969
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Étude sur l’hélium de différents processus de relaxation de niveaux atomiques excités par décharge haute
fréquence
M. Giroud, M. Lombardi, J.C. Pebay-Peyroula
To cite this version:
M. Giroud, M. Lombardi, J.C. Pebay-Peyroula. Étude sur l’hélium de différents processus de relax-
ation de niveaux atomiques excités par décharge haute fréquence. Journal de Physique, 1969, 30 (10),
pp.789-794. �10.1051/jphys:019690030010078900�. �jpa-00206841�
ÉTUDE
SURL’HÉLIUM
DE DIFFÉRENTS PROCESSUS
DERELAXATION
DENIVEAUX ATOMIQUES EXCITÉS
PAR
DÉCHARGE
HAUTEFRÉQUENCE
Par M.
GIROUD,
M. LOMBARDI etJ.
C.PÉBAY-PEYROULA,
Laboratoire de Spectrométrie Physique, Faculté des Sciences de Grenoble, Cedex 53, 38-Grenoble.
(Reçu
le 30janviey 1969.)
Résumé. 2014 Pour
exploiter
une nouvelle méthoded’alignement
des niveaux excités d’unevapeur
atomique (décharge capacitive
hautefréquence),
divers processus de relaxation ont été étudiés par effet Hanle. Enparticulier,
des transferts d’excitation, vus à travers des cascades de désexcitation, ont été mis en évidence sur deux descinq
niveaux étudiés (33P,41D2, 31P1,
33D et
31D2)
de l’hélium.Abstract. 2014 To
study
various relaxation mechanisms of excited states in an atomic vapour, we have used the method ofalignment by high frequency capacitive discharge.
Inparticular,
we have seen the transfer of excitation in cascade processus for two out of the five studied levels(33P, 41D2, 31P1,
33D and31D2)
of helium.1. Introduction. But de l’étude. - Skinner et
Appleyard [1]
ont montreeXpérimentalement
que la lumiere 6mise en bombardant une vapeuratomique
par des electrons lents est
partiellement
etrectiligne-
ment
polaris6e;
ce bombardementpermet
donc- comme le pompage
optique
- de creer des diffé-rences
de population
entre les sous-niveaux Zeeman d’un niveau excite et ainsi deg6n6raliser
de nom-breuses
experiences
utilisant cesin6galit6s
de popu- lation[2].
Cependant,
par excitationelectronique
- laplupart
des niveaux 6tant atteints - un niveau sera
peupl6
non seulement par excitation
electronique
apartir
du fondamental mais
aussi, éventuellement,
par des cascades de desexcitation apartir
des niveauxsup6- rieurs,
cequi
demande unecritique
serr6e des resultatsexpérimentaux.
jusqu’ici,
1’excitationelectronique
de la vapeur ato-mique
s’obtenait par bombardement par unpinceau
d’61ectrons lents dans des cellules type triode iden-
tiques
a celles d6crites parP6bay-Peyroula [3].
Or Lombardi a montre
([4]
et[9])
que l’onpeut
aussi obtenir1’alignement
des niveaux excites dans unedecharge
hautefrequence
sans electrodes internes a la cellule : la cellule contenant la vapeur a 6tudier estplac6e
entre lesplaques
du condensateurplan
termi-nant une
ligne
oscillante( fig. 1).
Le mouvementalternatif
rectiligne
des electronsqui
determinera la directionprivil6gi6e
du bombardement estproduit
par lechamp
oscillant du condensateur. Les conditions de fonctionnementpr6cisant
lafrequence
de ladecharge,
W G. 1. -
Ligne
excitatrice hautefrequence :
P,plaques
du condensateur ; G, «
getter )) ;
; L,ligne ;
C, cellule ; H,champ magnetique statique.
la
pression
du gaz et lagéométrje
de la cellule ontete donn6es dans
[4]
et[9].
Le but de cet article est de montrer les
possibilités
de cette nouvelle m6thode d’6tude.
La
pression
a l’int6rieur de la cellulepouvant
varier dans un domaine assezlarge,
nous voulions initiale-ment - sur un montage faisant
appel
auphenomene
de
dépolarisation magnetique (effet Hanle) [5]
-v6rifier des calculs de sections efficaces de collisions
non r6sonnantes atome-atome sur le modele mis au
point
par A. Omont[6], l’avantage
de I’h6lium 6tant de faireappel
a des fonctions d’onde relativementsimples
tout en 6tant r6alistes.Au cours de cette
etude,
d’autresph6nom6nes
ontete mis en evidence :
a)
Lechamp 6lectrique
Equi produit
1’excitationelectronique engendre
un61argissement
des courbesArticle published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:019690030010078900
790
d’effet
Hanle, 61argissement qui
a conduit a une etudequantitative
de 1’action de E afin de rendrepossible
une
extrapolation
enchamp
nul n6cessaire a nos mesures[7].
b)
Desph6nom6nes
de transfert d’excitation par collision contre des atomes dans 1’etat fondamentalqui
nous sont visibles a travers des cascades de d6sexci- tation[8].
Ceci est du a la faible distance6nerg6tique
entre niveaux de meme nombre
quantique principal qui
permet degrandes
sections efficaces de transfertd’excitation;
notre travail dans cette direction etaitstimul6 par le fait que
Saint-John,
Fowler et Bennet- dans d’autres types
d’expériences
- font intervenir de tels transferts a despressions correspondant
a cellesde nos
experiences ([11]
et[16]).
II. Problèmes
expérímentaux.
- Le montageexp6- rimental,
decrit par ailleurs[9],
comporte essentiel- lement : la cellule( fig. 1),
deux bobines enposition
d’Helmholtz cr6ant le
champ statique
ded6polari-
sation et un
systeme d’enregistrement automatique
dutaux de
polarisation.
Les
problemes particuliers
relatifs a notre travailsur ce montage sont les suivants :
1. MESURE DU CHAMP
ELECTRIQUE
E DANS LA VAPEUR.- Au cours de nos
experiences,
il s’est donc av6r6 necessaire de connaitre lechamp
E existant entre lesplaques
du condensateurplan
de laligne
oscillante.Ce
probleme
de mesure en hautefrequence
n’estpas tres
simple :
si nous branchons la sonde d’un voltmetreelectronique
normal directement sur lesplaques
ducondensateur,
le facteur de surtension de laligne
est considérablement r6duit du fait de lagrande dissymetr ie
de1’appareil
de mesure.Cepen- dant, apres
divers essaisn6gatifs
faisantappel
a desdiodes a
cristal,
nous avons cherché à r6utiliser lasonde;
mais pour 61iminer lacharge dissym6trique
dela
ligne
nous avons realise uncouplage capacitif
tresfaible entre la
ligne
et les deux bornes de la sonde.L’ensemble fix6 -
rigidement
- sur laplatine
porte-ligne
donne des resultatsprecis
etreproductibles.
Nous mesurons ainsi une tension
proportionnelle
àcelle
qui apparait
sur lesplaques
ducondensateur,
donc un
champ proportionnel
auchamp
E existantentre les
plaques
du condensateur(nous
n’avons pas besoin de la valeur absolue de E pour nos extra-polations).
2. CONSTRUCTION DES CELLULES, MESURE DES PRES- SIONS. - Les
premieres
cellules que nous avons fait construire contenanttoujours
des tracesd’oxygene,
nous avons ete
obliges
de leuradjoindre
un « getter »au
baryum qui,
lors de son « flash », absorbe les gazetrangers
et aussi unepartie
de l’hélium( fig. 1).
Par
ailleurs,
il nous a ete n6cessaire de faire desmesures en fonction de
pressions
s’étalant entre 10-3et 10-1 torr : le
plus simple
pour obtenir cespressions
est de faire des d6tentes successives a
partir
d’une6prouvette
de volume connu et contenant de I’h6liuma une
pression
donnee. L’hélium 6tantpratiquement
un gaz
parfait,
il semblequ’il
suffised’appliquer
la loide Mariotte pour connaitre les
pressions
obtenues.Cependant,
comme nous sommesobliges
deproduire
le « flash » du « getter » pour eliminer les
impuretes,
ceci ne donne
qu’un
ordre degrandeur
despressions
r6elles : le « getter » absorbe aussi une
partie
deI’h6lium.
Or,
nosexperiences,
pour etre correctement inter-pr6t6es, exigent
une connaissanceprecise
de lapression
de
chaque
cellule. Aussi avons-nous fait - en find’exp6rience
etgrace
a un passage pouvant etre cass6sous vide
(visible
sur la cellule de lafigure 1)
- la me-sure de la
pression
réelle avec unejauge
de Mac Leod.III.
Exploitation
des resultats. - 1. PRINCIPE DESEXPERIENCES. - Dans les conditions de nos
expé-
riences - essentiellement collisions binaires a basse
pression
- lalargeur
r d’un niveau s’ecrit :r == cr.n.v + rp=o
ou
rp=o
est l’inverse de la duree de vienaturelle,
6 = section efficace de relaxation du niveau
etudie,
n == nombre d’atomes par unite de volume du gaz,
k = constante de
Boltzmann,
T
= temperature
absolue du gaz,M = masse
atomique
de I’h6lium.En regroupant toutes les constantes et en remarquant que n est
proportionnel à p,
nous obtenons :r=K.p+rp=o
ainsi,
si aucun autrephenomene physique
n’interfereavec la relaxation normale du niveau
observ6,
lacourbe r
=f(p)
est une droite. Nous pouvons dansces conditions obtenir r =
rp = 0 et
determiner 6.Un certain nombre de resultats ont effectivement ete obtenus sur
r p = 0
et a, mais une difficult6 fonda- mentale est apparue sur la raie 4 922A.
Eneffet,
pource niveau
(4’D2),
nous avons bien obtenu une droite(fig. 2)
mais avecr p = 0
30% superieur
a la valeurFIG. 2. - Determination de r =
f(p)
sansextrapolation
de r en
champ
E nul(lre
serie demesures).
que nous avions
calculee,
ouqui
avait ete mesur6e par d’autres auteurs[10].
A
priori
touteexplication
de cet61argissement
par effet de cascade ou transfert d’excitation se trouvant end6faut,
nous avons cherchequelle pouvait
etrel’ influence de la
puissance
H.F.produisant
ladecharge capacitive.
En augmentant nettement cette
puissance,
nousavons observe un
elargissement
des courbes d’effet Hanle[7]
et[9].
Cette action du
champ 6lectrique
a 6t6 6tudi6eth6oriquement [9].
Les calculs montrent que pour unchamp
faible nous obtenons pour r la relation suivante :oii k est un
parametre
rendant compte de lapuissance
de 1’effet Stark et
r 0
la valeur de r enchamp
E nul(et
pour unepression
donnee de lavapeur).
2. MESURES. - Nous avons
specialement
6tudi6les 5 raies suivantes :
Les
pressions
des différentes cellules utiles- apres
mesure a la
jauge
de Mac Leod - s’6talent entre1,4
X 10-3 et5,2
X 10-2 torr. La difficulteprincipale
fut d’obtenir une gamme relativement continue
malgre
les variations -
impr6visibles
- depression produites
lors du « flash » du « getter ».
- Procédure
expérimentale, extrapolation
enchamp
nul :Pour chacune des raies - et pour une cellule donnee - nous avons trace un reseau de courbes a des
puissances
H.F. différentes et nous en avons d6duit la courbe2 OH = f ( v4) ;
parextrapolation
aU = 0,
nous obtenons
(2 OH) v- o,
c’est-h-dire(2 AH) , E= 0.
Finalement, ro
est donne par la relationclassique
de 1’effet Hanle :
avec g = facteur de Land6 du niveau
6tudi6,
e, m =
charge
et masse de 1’electron.Connaissant
r 0
pourchaque pressionp,
nous pouvonstracer les courbes cherch6es
To
=f(p).
-
lnterprétation qualitative
duphénomène
detransfert
d’excitation :
Consid6rons deux atomes d’une vapeur
atomique,
1’un dans un niveau excite - niveau 41P de I’h6lium par
exemple
- et l’autre au fondamental. Si un chocse
produit
entre les deux atomes, l’atome excite peut passer dans un autre niveau(niveau
41F pour notreexemple)
-d’6nergie proche
- lecomplement
3E6tant fourni par
1’6nergie d’agitation thermique;
laseule condition 6tant que 8E soit
faible,
cequi implique,
ici,
que les deux niveaux aient le meme nombrequantique principal.
11 faut noter que le transfert se
produit
dans les deuxsens mais avec des sections efficaces li6es par le
principe
du bilan detaille : nous obtenons un effet
preponderant
dans un sens
lorsque
1’alimentation d’un des niveauxest nettement diff6rente de celle de 1’autre.
-
Ettide spicifique
dechaque
raie :A. Raies
6 678 A et
5 875A.
- Ces deux raies(fig.
3 et4),
l’une desingulet,
1’autre detriplet, pr6-
sentent une
grande
similitudequant;h 1’aspect general
de leurs courbes
To
=f ( p) .
Nous observons sur les deux
graphes
une d6crois-sance et une remontee extremement
rapide
dero
dansla zone de
pression 0,5 .
1 X 10-2 torr. De memedans la zone
qui
va de 1 a 5 X 10-2 torr,ro
chuteplus lentement, jusqu’a
2 X 10-2 torr pour remonterlin6airement dans l’intervalle 2 a 5 X 10-2 torr.
a) Evolution
dans la zone 2 à 5 X 10-2 torr. - Nouspouvons
expliquer
cette variation der 0
par unpheno-
792
mene de transfert d’excitation. En
effet, Saint-John
etFowler ont montre dans leurs etudes
[11]
que les deux raies 5 875Å (33D - 23P)
et 6 678A (3lD2
-21P1)
sont aliment6es - par cascade - par les
niveaux, singulet
ettriplet,
n1 F et n3F(n > 4), couples
par l’interactionspin-orbite.
Or,
pourI’h6lium,
nous savons[12] qu’il
y a transfert d’excitation du niveau n1P vers le niveau nlF( fig. 5).
Donc,
dans la gamme depression consideree,
nousavons, comme nous le
pr6voyions d’apres Saint-John
et
Fowler,
une alimentationidentique
des niveaux 33D et31D2,
cequi explique
la similitude des varia- tions der 0
pour les deux raies consid6r6es. Plusprecisement :
- dans la
partie
descendante de lacourbe,
1’ali-mentation par cascade a
partir
des niveaux nF devientpr6pond6rante
par rapport a l’alimentation directe par bombardementélectronique :
comme le niveaucascadant a une duree de vie
sup6rieure
a celle duniveau
6tudi6,
c’est lui que nousobservons,
d’ou la d6croissance der 0;
- dans la
partie
ascendantelin6aire,
nous observonstoujours
la cascade induite par transfertd’excitation,
mais la section efficace de relaxation sur nF 6tant
plus importante
que celle du niveau 6tudi6(33D
ou31D2),
nous observons une croissance lin6aire deFor plus rapide,
le coefficientangulaire
de la droite 6tantproportionnel
a la section efficace de relaxation.b) evolution
der 0
dans la zone0,5
X 10-2 a1 X 10-2 torr. - Cette
brusque
variation dero
semblene pas
pouvoir, ici, s’expliquer
par un transfert d’exci-tation,
car cela conduirait a des sections efficaces de relaxation(proportionnelle
a la pente de lacourbe,
comme nous venons de le
voir) beaucoup
trop fortes.Le
phenomene analogue
est surtoutvisible,
dans lameme zone de
pression,
sur le niveau41D2 (raie
4 922
Å).
Par contre, si nous observons les courbes d’excitation
electronique
des niveauxF, D, P,
nous remarquons que pour les niveaux F il existe une bande 6troited’energie
des electrons ou 1’excitation estnotable,
alors que pour les raies
D,
et encoreplus
pour les raiesP,
cette bande est nettementplus large.
Deplus,
divers auteurs[12]
ont montre que dans la zonede
pression
6tudi6e il existe dans ladecharge
deuxtypes
d’électrons : des electrons vibrant au centre de la cellule et des electrons rebondissant sur lesparois
et que l’on passe
rapidement
d’untype
a 1’autre en augmentant lapression
- c’est-a-direqu’on
obtientune variation
rapide
de1’6nergie
des electronslorsque
la
multiplication electronique
sur lesparois
se trouveremplacee
par unemultiplication
enphase
vapeur(ionisation
dugaz).
Ainsi, quand
les electrons prennent la valeurcritique
d’excitation du niveau
F,
nous obtenons unebrusque
alimentation de ce
niveau;
celui-ci cascade sur le niveau D(33D
ou31D)
6tudi6 et c’est ce niveau F- car de duree de vie
plus grande
- que nous obser-verons sur une tres faible zone de
pression,
cequi explique
la variation tresrapide
deTo.
FIG. 6. - Determination de r =
f(p) apres
extrapo-lation de r en
champ
E nul(2e
s6rie demesures).
B.
Raie 4 922 A (41D2
-21P1).
- Pour ceniveau,
nous n’observons pas de transfert d’excitation
(fig. 6):
- au-dela de 10-2 torr, nous retrouvons la relation
lin6aire,
- en
deçà
de 10-2 torr, nous observons - commepour les autres niveaux D etudies - une
brusque
alimentation d’un niveau F
qui
cascade sur 41D.Comme
precedemment,
cet effet se manifeste surune zone tres 6troite de
pression.
Remarque.
- Les niveaux F 6tant tresrapprochés,
nous devons avoir un effet Stark
plus
intense que dans le niveau D observe. Comme nous 1’avons vu, nous avonstrace,
pourchaque
valeur de lapression,
, lescourbes r
= f (E4),
5 courbesqui
sont de la forme :Or,
nous constatons - dans la zone depression
0,7
X 10-2 torr - que lapente k
estplus grande
quepour les
pressions
hors de cetteregion.
Cequi signifie
bien que, dans cette gamme de
pression,
1’effet Starkest
plus
intensequ’ailleurs.
Nous obtenons ainsi la confirmation
qu’aux
alen-tours de
0,7
X 10-2 torr l’alimentation du niveau41D2
par
cascade,
apartir
d’un niveauF,
estprépondérante.
D’autre part, nous trouvons pour
r 0 à pression
nullela valeur
eXpérimentale 3,22
X 107 Hz.Cette valeur est
légèrement plus
faible que celle que nous donnait lapremiere
s6rie de mesuresT’o
=3,34
X 107
Hz,
mais encore tres6loign6e
de la valeurcalculee a 1’aide des fonctions d’onde de
Hyllerras,
soit :
ro
=2,90
X 107Hz;
nous n’avons pu trouveraucune
explication
satisfaisante a cette difference entrela theorie et
1’experience.
Par contre, certains auteurs
[14]
onttrouve, exp6- rimentalement,
la valeurTo
=2,60
X 107qui, elle,
est bien en dessous de la valeur
théorique :
il est trespossible
que ces auteurs aient fait leurs mesures dans la zone de tension d’excitation ou la cascade sur41D2
est
prépondérante,
cequi expliquerait
1’ecart de leursmesures a la valeur calculee.
C. Raie 3
888 A (33P - 23S ) . -
La courbero
=f(p)
obtenue difTere totalement des
pr6c6dentes
par son allurequadratique ( fig. 7).
La
possibilite
d’uneinterpretation
par les collisions a trois corps sepr6sente puisque
nous savons[15]
que, dans ce cas, la relation donnantro
en fonction de lapression
estquadratique To
=A.p2
+Fp=o
et nonplus
lin6aire.Toutefois,
les sections efficaces de cescollisions semblent bien
trop
faibles pour que cephenomene
se manifeste reellement.Trois autres
hypotheses
doivent etreprises
enconsidération :
a)
Nouspourrions
avoir transfert entre les compo-santes du niveau 33P non resolu
optiquement,
cetransfert s’effectuant par chocs. Bennet
[16]
a montreque dans ce cas la relation r
=f(p)
n’estplus
linéaire.b)
D’autre part, le mode d’alimentation par bom- bardementelectronique
n’6tant pas le meme pour chacun descomposants
de33P,
nousobserverions,
isol6ment suivant les zones de
pression 6tudi6es,
chacunde ces composants avec sa propre section efficace de relaxation.
c)
Possibilite de relaxation contre le metastable : eneffet,
la section efficace est tresgrande (~
1 000A2),
mais il faudrait un taux de metastable d’envi-
ron 10
% (1).
Cependant,
le nombre relativement restreint depoints expérimentaux
du a la faible luminosite de cette raie duproche
U.V. ne permet pas de choisir uneexplication
sureparmi
ces différenteshypotheses.
D. Raie 5
015 A (31P1
-21S0).
- Nous avons toutd’abord
pens6 qu’apparaissait,
entre0,3
X 10-2 et3 X 10-2 torr
(, fig. 8),
la diffusionmultiple deja
miseen evidence sur ce niveau
[17].
Mais la valeur de
ro
=1,27
X 108 Hz mesur6een
prolongeant
lapartie plane
de la courbe(amorce
de la remontee lin6aire r
= K .p
+r 0
avec K tresfaible pour cette
raie,
d’ou r Nr 0)
estbeaucoup plus
faible que celle d6duite des calculs de duree de vie du niveau31P, [18]
et de la theorie de la diffusionmultiple.
Notons toutefois que nous ne pouvons conclure avec certitude car cette theorie n’est pasapplicable
a notre cas : la conditionko . R >
1 n’estpas v6rifi6e.
I1 reste
1’interpretation
par transfert d’excitation(1)
Ceci nous a etesugg6r6 independamment
parJ.
P. Barrat et N.Sadeghi.
794
suivi d’une
cascade,
comme pour les raies 5 875A
et 6 678
A.
Mais ici les niveaux entrelesquels
inter-viendrait le transfert nous sont inconnus.
L’hypothese plus simple
d’une cascade apartir
d’un niveau
superieur
peut etre aussienvisag6e.
Enfin,
apartir
de3,5
X 10-2 torr,apparait
aussiune nouvelle cascade issue d’un ou de
plusieurs
niveauxplus eleves;
il nous semble naturel de fairepartir
cettecascade des niveaux n1D sans d6finir a
priori
les valeurs de n.BIBLIOGRAPHIC
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