Le piégeage des ions

Piège à ions
Le dispositif expérimental est constitué d'un piège à ion radiofréquence (piège de Paul). La RF  est d'environ 10.7 MHz, la profondeur du piège de quelques eV. Les ions piégés peuvent être extraits du piège et séparés par temps de vol.

Piège à ions, zone de temps de vol et détecteur MCP

Sélection des ions H₂⁺
Les ions sont créés par impact électronique à partir de l'hydrogène moléculaire résiduel de l'enceinte à vide. Ce processus crée également des ions H⁺. Des ions H₃⁺ sont  produits lors de collisions de H₂⁺ avec l'hydrogène résiduel. Ces trois espèces peuvent être piégées simultanément comme le montre l'analyse en temps de vol du contenu du piège.
Il est possible de ne garder que des ions H₂⁺ dans le piège en déstabilisant le mouvement des autres espèces par excitation paramétrique de  leur macro-mouvement. La courbe ci-dessous montre les résonances paramétriques des différents ions.

Sélection des ions H₂⁺ dans  l'état vibrationnel  fondamental v=0

Théorie

Un laser à excimère (KrF à 248 nm) permet de photodissocier sélectivement les ions dans les niveaux vibrationnels de v>0, et donc de préparer un nuage d'ions dans l'état vibrationnel v=0.
Les sections efficaces de photodissociation des différents niveaux vibrationnels ont été calculées par G. Dunn et sont tracées ci-dessous. Ces calculs effectués à l'approximation de Born Oppenheimer ne prennent en compte que les deux premières courbes d'énergie électronique.
                          

A partir des fonctions d'onde vibrationnelles "exactes" que nous avons calculées, nous avons reproduit les résultats de G. Dunn, représentés en tirets dans la figure ci-dessous. Les pics supplémentaires prédits par nos calculs (en traits pleins dans la figure ci-dessous) correspondent aux canaux de photodissociation vers les troisièmes, quatrièmes ... courbes d'énergie électronique.
                          

Expérience

Pour étudier la photodissociation de H₂⁺ , nous avons mesuré le nombre d'ions H₂⁺ présents dans le piège après avoir illuminé le nuage d'ions avec un nombre croissant d'impulsions UV de faible énergie. La figure ci-dessous a été obtenue avec des impulsions d'environ  ??? mJ.  On observe d'abord une décroissance exponentielle rapide suivie d'une décroissance exponentielle beaucoup plus lente. Les taux de décroissance observés correspondent à ceux attendus pour les niveaux v=3 et v=2. Pour de si faibles énergies, le niveau v=1 n'est pas photodissocié. 
                                 
En utilisant des impulsions plus puissantes, il est possible de photodissocier tous les ions qui ne sont pas dans l'état vibrationnel fondamental.
Le nuage d'ion ainsi préparé ne contient plus que des ions dans l'état vibrationnel v=0, avec une distribution de Boltzmann entre les différents niveaux rotationnels (10 à 15 % dans chacun des premiers niveaux).