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Theses Year : 2011

Detection of metastable He2* molecules in helium plasma

Détection de molécules métastables He2* dans un plasma d'hélium

Abstract

Metastable He2* molecules, ubiquitous in helium systems, consist of a metastable He* (2^3S1) and a ground-state He atoms. Their detection through the optical transition a^3Σu^+(ν=0) has been performed in He plasma (P=8-267 mbar) with a tunable cw laser at 465 nm, based on the sum frequency generation of 923 and 937 nm in the PP-KTP crystal. The laser has been characterized for its wavelength tuning and efficiency of nonlinear conversion. Absorption rates provide direct access to He2* number densities, based on quantitative spectroscopic data obtained for the probed rotational branches. Studies mainly involve 3He2* but its isotopologues are also studied in isotopic mixtures and pure 4He gas. He2*absorption spectra yield rotational temperatures close to the gas temperatures. In addition to the spin-statistics-driven line intensities alternation, an alternation of 3He2* line shapes occurs indicative of the underlying structure of the rotational states. Time evolution of absorption signals has been recorded in discharge afterglow providing quantitative information about dynamics and relative abundances of the metastable species. The He∗ density varies for strong laser excitation of He* at 1083 nm, as formation rate from the 23P state is 100-times higher. Simultaneous absorption measurements on atoms and molecules during the metastability exchange optical pumping (MEOP) experiments has been performed to study the potential contribution of He2* to the laser-enhanced 3He nuclear relaxation observed in MEOP. Preliminary results have shown expected increase in molecular density that is so far mild in comparison with the spectacular enhancement of 3He nuclear relaxation rate.
Les molécules métastables He2∗, dans lesquelles un atome métastable He* (23S1) et un atome dans l’état fondamental sont liés, sont fréquemment rencontrées dans les fluides d’hélium. Leur détection via la transition optique à 465 nm a^3Σu^+(ν=0) a été faite dans des plasmas d’He (P=8-267 mbar) avec un laser continu accordable, utilisant une addition de fréquences (lasers à 923 et 937 nm) dans un cristal de PP-KTP. Des mesures d’absorption donnent accès aux densités de He∗ à partir des données spectroscopiques obtenues pour les niveaux rotationnels étudiés, principalement pour 3He∗, mais aussi dans les mélanges isotopiques et dans 4He pur. Les spectres d’absorption moléculaire montrent une bonne thermalisation des niveaux rotationnels. En plus de l’alternance attendue (statistique) des intensités des raies, une alternance de formes de raies a été observée dans 3He∗, révélant la structure sous-jacente des niveaux rotationnels. Des mesures d’absorption en post-décharge fournissent des données quantitatives sur la cinétique et les densités des espèces métastables. Lors d’une ex- citation intense à 1083 nm, la densité de He∗ augmente car le taux formation à partir de l’état 23P est 100 fois plus fort qu’à partir de He*. Des mesures d’absorption par les atomes et par les molécules métastables ont été faites lors d’expériences de pompage optique (par échange de métastabilité, POEM) pour étudier la contribution potentielle des molécules à la relaxation induite par le pompage observée en POEM. Seule une augmentation modérée des densités moléculaires a été observée, bien moindre que l’augmentation spectaculaire simultanément observée pour les taux de relaxation nucléaire.
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Cite

Bartosz Glowacz. Detection of metastable He2* molecules in helium plasma. Atomic Physics [physics.atom-ph]. Université Paris 6 Pierre et Marie Curie; Jagiellonian University, 2011. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01360241⟩
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