Study of Condensable Ion Production by Resonant Laser Ionization
Étude de la production d'ions condensables par ionisation laser résonante.
Résumé
This doctoral thesis describes the implementation, optimization and development of a Resonant Ionization Laser
Ion Source (RILIS) at the GANIL facility (Caen, France). The RILIS is a selective ion source technique which is
based on a step-wise resonant excitation process where the elements of interest are ionized via atomic resonant
excitation by laser radiation. The off-line RILIS test bench at GANIL consists of three tunable titanium:sapphire
lasers and a hot-cavity ion source. In this thesis, a new three-step Zn ionization scheme was developed and the
already known ionization schemes for Sn have been compared in order to identify the best ionization scheme for
a titanium:sapphire laser system. Furthermore, several configurations of the ion source geometry were tested
(two diameters and two lengths) in order to provide an optimal ionization efficiency and ion beam emittance.
An increasing of the ionizer diameter was found to enhance the production of laser ionized elements, while
no enhancement was observed by modifying the ionizer length. The time-of-flight of the generated ions was
also studied for the different ion source configurations at several temperatures. The time-of-flight can provide
crucial information about the ion formation inside the ion source cavity. In addition, a technique to measure
the convolution of the spatial and energetic spread of the ion bunches at the detection point was developed.
Finally, two contamination reduction techniques were studied: Firstly, the ions trajectories through the ion
source cavity can be modified by the electric field generated due to resistive heating. Therefore, a study of
the appropriate configuration of the electric field direction was performed to reduce the alkali contamination
of the ion beam. Secondly, a low work function material was tested in order to reduce the production of alkali
contaminants and molecular sidebands generated inside the ion source.
Cette thèse doctorale décrit l’implantation, l’optimisation et le développement d’une source d’ions par ionisation
laser résonante (RILIS en acronyme anglais) à GANIL (Caen, France). RILIS est une technique sélective de
production d’ions qui est base sur un processus d’excitation résonante par étapes successives dans lequel les
éléments d’intérêt sont ionises via l’excitation de résonance atomique par le rayonnement laser. Le banc de test
RILIS à GANIL consiste en trois lasers titane:saphir et une source d’ions à cavité chaude. Dans cette thèse, un
nouveau schème d’ionisation a été développe pour Zn et les schèmes d’ionisation déjà connues pour Sn ont été
compares afin de déterminer le meilleur schéma d’ionisation pour un système laser titane:saphir. Par ailleurs,
plusieurs configurations de la géométrie de la source d’ions ont été testées (deux diamètres et deux longueurs)
afin de trouver l’efficacité d’ionisation et l’émittance optimales. L’augmentation du diamètre a produit une
amélioration de la production d’ions par laser, par contre aucun changement n’a pas été observe en modifiant
la longueur. Le temps de vol des faisceaux d’ions ont aussi été étudies pour les différentes configurations à
plusieurs températures. Le temps de vol peut fournir des informations sur la formation des ions à l’intérieur de
la cavité de la source d’ions. En outre, une technique pour mesurer la convolution de la distribution spatiale et
énergétique du faisceau d’ions a été développée. Finalement, deux techniques ont été testées pour réduire les
polluants: En première lieu, le mouvement des ions à travers la source d’ions peut être modifié par le champ
électrique, provenant de l’effet Joule. Par conséquent, une étude de la configuration la plus appropriée a été
effectuée pour réduire la pollution des faisceaux d’ions par des alcalins. En deuxième lieu, un matériau avec
faible travail de sortie a été teste pour réduire la production des polluants alcalins dans la source d’ions.