Chlorure de xénon - Définition

Introduction

Le chlorure de xénon (XeCl) est une molécule exciplexe découverte dans les années 70. Elle est à la base d'un laser à excimères très utilisé notamment en médecine. Sa longueur d'onde d'émission est 308 nm. Elle correspond à la transition de l'état B vers l'état fondamental X faiblement lié. D'autres transitions de plus faible intensité ont été observées comme le continuum de l'état C vers l'état A à 345 nm, et plus rarement une transition venant d'un état supérieur, l'état D, vers l'état fondamental.

Historiquement, c'est à la Kansas State University que sa synthèse a été réalisée pour la première fois et sa présence fut prouvée grâce à l'observation de son spectre. Son existence était prévue depuis longtemps. On sait en effet que le xénon excité a une configuration électronique analogue aux métaux alcalins. Ainsi était-il logique que le xénon excité soit en mesure de former des molécules avec des halogènes. Cette situation avait déjà été anticipée dès le début du XXème siècle. Une première tentative de synthèse du XeCl fut d'ailleurs faite en 1933 par deux chercheurs américains Yost et Kaye. Celle-ci a avorté en raison du tube utilisé qui était en quartz et qui absorbe fortement à 308 nm.

Son schéma cinétique est très complexe tant du point de vue de la création de la molécule que de sa disparition, tant les phénomènes concernés sont brefs (quelques nanosecondes).

Il existe deux types principaux de molécules de chlorure de xénon : XeCl et Xe₂Cl.

Introduction

Les molécules qui ne sont stables que dans des états électroniquement excités sont appelées excimères dans les cas de molécules homonucléaires et exciplexes si les molécules sont hétéronucléaires. Une classe importante de molécules exciplexes est constituée par les halogénures de gaz rares notés RgX. Ces molécules se désexcitent en émettant un photon dont l’énergie est de quelques eV. Ce qui signifie que la longueur d’onde de la lumière produite se situe dans le visible ou l’ultraviolet. Les gaz ou mélanges de gaz pouvant conduire à la formation de ces molécules constituent un milieu laser quasi-idéal puisque l’inversion de population est obtenue directement. L’autre conséquence de la nature instable de leur état fondamental est que les espèces excimères ou exciplexes ne constituent pas elles-mêmes le milieu laser mais doivent être générées en temps réel par une excitation extérieure (décharge, faisceaux d’électrons, micro-ondes, particules alpha…). Au moins deux gaz doivent être utilisés pour générer des exciplexes : un donneur d’halogène et un gaz rare. Cependant, toutes les molécules d’halogénures de gaz rares ne conduisent pas forcément à des développements de lasers comme le montre le tableau 1. Et certaines d’entre elles ne peuvent même pas exister. Ces molécules et leurs applications ont déjà fait l’objet de plusieurs mises au point bibliographiques. Compte tenu des progrès accomplis récemment, ces travaux anciens doivent être actualisés mais une analyse complète de l’ensemble des résultats relatifs à tous les RgX serait aujourd’hui trop volumineuse. Ce qui impose de se limiter à une seule famille d’halogénure de gaz rare. Plusieurs articles de synthèse relatifs à la technologie des lasers à chlorure de xénon et à leurs applications ont été publiés. Certains auteurs y mettent en avant l’importance de la connaissance aussi précise que possible de la cinétique du milieu laser qui est la plus complexe des halogénures de gaz rares. Toutefois, des résultats récents ont permis de mieux comprendre la physico-chimie du milieu laser. Nous nous proposons de les rassembler ici et de les analyser à partir de notre propre expérience. L’investigation spectroscopique se limitera à la zone visible-proche ultraviolet qui est le domaine de longueur d’onde de production de lumière des lasers à exciplexes. Nous examinerons uniquement des mélanges gazeux binaires (xénon/donneur de chlore) ou ternaires. Dans ce dernier cas, un troisième gaz appelé gaz tampon est rajouté aux deux autres. Il s’agit généralement d’un gaz rare noté Rg. Beaucoup de donneurs de chlore ont été utilisés. Mais nous ne nous intéresserons ici qu’à HCl et CCl₄ qui sont ceux employés dans les lasers, et Cl₂ qui se forme dans le milieu laser suivant un processus qui est, par exemple, celui présenté sur la figure 1. Nous concentrerons notre présentation sur les molécules de chlorure de xénon qui présentent le plus d’intérêt pour les applications laser, à savoir XeCl et Xe₂Cl. Nous ne parlerons des autres molécules susceptibles de se former dans nos mélanges gazeux (comme XeH, XeCl₂ ou XeHCl), et des résultats obtenus à l’état liquide ou solide, que lorsqu’ils apporteront une information intéressant directement notre sujet. Cet article se veut un outil de synthèse pour les chercheurs travaillant sur les applications de ces molécules tant dans le domaine des lasers que dans d’autres disciplines. En effet on a montré récemment la faisabilité de sources de lumière incohérentes à partir de décharges dans les mélanges xénon/donneur de chlore à basse pression. Ces lampes à décharge sont fiables, d’un fonctionnement simple et d’un coup peu élevé, toutes qualités qui en font, au moins pour certaines applications, des concurrents directs des sources laser. Nous commencerons par un historique de la genèse des chlorures de xénon. Ensuite nous présenterons successivement pour XeCl et Xe₂Cl, la structure de la molécule, les voies de formation et de disparition.