Dynamique à N-corps dans les collisions ion-ion/atome : étude expérimentale et théorique

Study of many-body dynamics in ion-ion/atom collisions : a joint experimental and theoretical investigation

• Auteur / Autrice : Mariette Jolly
• Direction : Emily Lamour, Alain Dubois, Christophe Prigent
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 10/10/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des nanosciences de Paris (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Sophie Trincaz-Duvoid
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lorenzo Ugo Ancarani, Alexandre Gumberidze
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Alicja Domaracka, Bernard Pons

Mots clés

Mots clés contrôlés

Problème à N corps

Interactions ion-ion

Interactions ion-atome

Collisions (physique)

Mots clés libres

Collisions ion-ion

Plateforme FISIC

Modélisation des processus électroniques

Ion-Ion collisions

FISIC platform

Modeling of electronic processes

Résumé

Étudier les collisions ion-atome et ion-ion permet d'appréhender les probabilités des processus électroniques tels que la capture, l'ionisation et/ou l'excitation en maîtrisant le nombre d'électrons initialement liés à chaque partenaire de la collision. En allant de l'étude d'un système à trois corps (les deux noyaux avec un seul électron) vers des systèmes plus complexes impliquant des électrons supplémentaires permet d'examiner des effets sur la dynamique globale des électrons et par conséquent sur les sections efficaces des processus élémentaires.Dans la section théorique de la thèse, des calculs de sections efficaces sont effectués pour des systèmes ion-atome et ion-ion contenant jusqu'à deux électrons. Le carbone, l'hydrogène, l'azote et l'hélium ont été choisis comme partenaires de collision. Cela est réalisé en utilisant une approximation semi-classique non perturbative, qui consiste à traiter le mouvement des ions de manière classique, tandis que la dynamique des électrons est décrite en utilisant la mécanique quantique. Les collisions sont simulées à l'aide d'un programme “collision solver”, à partir duquel des sections efficaces pour différents processus peuvent être extraites.La partie expérimentale de la thèse est dédiée au développement technique, aux tests et à la caractérisation de divers instruments essentiels pour la réalisation d'expériences précises de collision ion-atome et ion-ion. Deux sources d'ions et les lignes de faisceau correspondantes ont été installées pour réaliser des collisions ion-ion garantissant qu'une large gamme de conditions expérimentales et de types de collisions. Une chambre de collision, un jet gazeux, un spectromètre d'ions et son détecteur associé, un système de détection de rayons X ont été développés et caractérisées pour réaliser les premières études.Dans l'ensemble, cette thèse combine de nouveaux calculs théoriques pour les collisions ion-atome et ion-ion avec des avancées expérimentales vers une configuration capable d'explorer une large gamme de systèmes de collision. Cette double approche est très bénéfique pour améliorer la compréhension de la dynamique des électrons dans les collisions ion-matière. Ces connaissances sont essentielles tant pour la recherche fondamentale que pour les applications pratiques dans divers domaines scientifiques et technologiques, tels que les plasmas astrophysiques, la recherche sur la fusion par confinement inertiel ou encore l'hadronthérapie.

Studying ion-atom and ion-ion collisions allows us to understand the probabilities of electronic processes such as capture, ionization, and/or excitation by controlling the number of electrons initially bound to each collision partner. By progressing from the study of a three-body system (the two nuclei with a single electron) to more complex systems involving additional electrons, we can examine the effects on the overall electron dynamics and consequently on the cross-sections of elementary processes.In the theoretical section of the thesis, cross-section calculations are performed for ion-atom and ion-ion systems containing up to two electrons. Carbon, hydrogen, nitrogen, helium and their respective ions have been chosen as collision partners. This is achieved using a semi-classical non-perturbative approach: the relative motion of the partners is treated classically, while the electron dynamics is described quantally. The collisions are simulated using a “collision solver” program, from which cross sections for different processes can be extracted.The experimental part of the thesis is dedicated to the technical development, rigorous testing, and thorough characterization of various instruments critical for conducting precise ion-atom and ion-ion collision experiments. Two ion sources and their respective beamlines were set up to perform ion ion collisions, ensuring a large range of possible experimental conditions and collision systems can be explored. A collision chamber, gaseous jet, an ion spectrometer and its associated detector, as well as an x-ray detection system were developed and characterized to perform the preliminary experiments.Overall, this thesis combines new theoretical calculations for ion-atom and ion-ion collisions with experimental advancements towards a set-up capable of exploring a wide range of collision systems. The dual approach is very beneficial for enhancing the understanding of electron dynamics in ion-matter collisions. This knowledge is essential for both fundamental research and practical applications in various scientific and technological fields, such as astrophysical plasma, inertial confinement fusion research or hadrontherapy.