Microfaisceau d’ions multichargés

A.Cassimi, L.Maunoury, T.Muranaka, H.Lebius, B.Manil, B.Huber DSM/DRECAM et GANIL / CIRIL
Centre Interdisciplinaire de Recherche Ions Laser,
T. Ikeda et Y. Yamazaki, Atomic Physics Laboratory, RIKEN, Japan

Les faisceaux d’ions multichargés sont des outils prometteurs pour sonder ou modifier la surface des matériaux. Focaliser ces faisceaux à des tailles micrométriques doit permettre de répondre aux exigences de la physique à l’échelle nanométrique. La technique de focalisation proposée sous une forme de simple « entonnoir », au fonctionnement cependant surprenant, a récemment montré toute son efficacité.

La production de faisceaux d’ions multichargés de taille inférieure au micron n’est pas un objectif récent et plusieurs solutions ont été envisagées et testées. La réalisation d’un faisceau de taille aussi réduite exclu déjà la focalisation par des lentilles électrostatiques ou magnétiques du fait des piètres qualités optiques (émittance, dispersion en énergie) des sources d’ions. En revanche, la collimation par un (ou plusieurs) diaphragme permet d’atteindre cet objectif mais au prix d’une réduction drastique du flux de particules exploitables. Enfin, l’idée d’un « entonnoir », si elle semble au premier abord triviale, pose le problème de la nécessaire interaction des ions avec les parois.
La genèse du procédé retenu est issue d’une série de découvertes successives. A l’origine, l’effet, dit « trampoline », mis en évidence par une équipe française sur une surface isolante [1] : la capture d’électrons par l’ion incident laisse des charges électriques localisés en surface. La répulsion coulombienne qui en résulte ralentit, jusqu’à éventuellement réfléchir, l’ion incident. Une seconde découverte très surprenante [2] est l’observation par une équipe du Hahn-Meitner-Institut de Berlin de la transmission d’un faisceau de Ne⁷⁺ à travers un réseau de pores (100 nm de diamètre, 10 µm de longueur) réalisé dans une feuille de polymère (PET) : alors que l’on pouvait s’attendre à ce que le chargement en surface des parois des pores interdise le passage des ions, celui-ci, au contraire, favorise le guidage et bloque les processus d’échange de charge ultérieurs. Après avoir traversé les pores, les ions conservent en sortie leur état de charge initial, même pour une incidence de 15°.

Les ingrédients étaient ainsi réunis pour avoir l’idée d’utiliser un tube isolant pour focaliser un faisceau d’ions. Il revient au Pr. Y.Yamazaki (RIKEN, Japon) et à son équipe, membres de la collaboration, d’avoir proposé l’utilisation de capillaires de borosilicate [3]. Etiré à chaud sur une longueur de plusieurs centimètres, un tel capillaire peut être façonné afin d’obtenir un cône d’un diamètre d’entrée de 2mm et inférieur au m en sortie. Restait cependant à vérifier qu’un ion multichargé pouvait réellement sortir de ce « micro-entonnoir », sans modification de son état de charge.
La transmission de faisceaux d’Ar⁸⁺ et plus récemment de Xe²³⁺, d’une énergie de quelques keV, démontre la faisabilité du procédé. Celui-ci se révèle possible par le chargement électrique auto-organisé des parois du tube isolant micrométrique. Les premières expériences mettent de plus en évidence que la transmission reste stable sur plusieurs heures et n’est pas un phénomène transitoire lié au chargement progressif des parois. L’augmentation d’un ordre de grandeur de la densité de courant du faisceau montre enfin que le capillaire joue bien un rôle actif, au-delà de la simple focalisation du faisceau. Il a été ainsi possible d’obtenir un faisceau (Ar⁸⁺ à 80 keV) de diamètre initial de l’ordre du µm (taille de sortie du capillaire), présentant une divergence inférieure à 0.4 milliradian (diamètre de 150µm à 20cm de la sortie du capillaire, voir figure).
Le système est donc dès à présent potentiellement opérationnel et applicable à la production de faisceaux micrométriques même si les détails de l’interaction ion-surface pour la géométrie choisie restent à être mieux compris, tant expérimentalement que théoriquement. Enfin, les qualités optiques du faisceau en sortie de capillaire semblent tout à fait adaptées à une focalisation supplémentaire par des moyens plus conventionnels (lentilles électromagnétiques) pour atteindre des dimensions, cette fois nanométriques.