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Jeux

Suivre les étapes d’une mesure

Examinez dans la carte les états fondamental et isomérique de ¹³³Xe, leurs énergies d’excitation et incertitudes. Un isomère est un état nucléaire excité relativement durable. En MR-TOF, les ions circulent entre deux miroirs électrostatiques : modifiez les tours, les largeurs de pics et les populations. En TOF-ICR, comparez la réponse mélangée, l’ajustement à une espèce et les résidus, observation moins ajustement. En PI-ICR, changez le temps d’accumulation pour observer l’enroulement des phases. Séparation, précision statistique et biais du modèle sont des limites distinctes.

Jouez pendant les pauses du faisceau. Les meilleurs scores sont conservés uniquement dans votre navigateur.

Parcours de spectroscopie

Huit défis : trouver une source, vérifier une règle de sélection, interpréter un déplacement isotopique et suivre une transition gamma.

Exercices pédagogiques avec des nombres fictifs. Aucune donnée isotopique mesurée ni aucun résultat expérimental n’est généré.

Chargement des exercices…

⏳ Qui vit le plus longtemps ?

Deux noyaux de NUBASE2020 : choisissez la demi-vie la plus longue et poursuivez la série.

🎯 Trouver la résonance cyclotron (TOF-ICR)

Réglez ν_rf, tirez des ions et cherchez le minimum du temps de vol. Pour ¹³³Cs⁺ à 7 T, νc = qB/(2πm) ≈ 808795.01 Hz. Moins de tirs et une meilleure estimation donnent davantage de points.

💡 What do these controls mean?

Choose an ion, positive charge z, B and excitation time. Rectangular means one RF pulse; Ramsey means two separated pulses. More ions per shot reduces simulated counting noise.

Move νrf away from resonance and take shots to build the curve. Theory overlays the model. Points/pixels changes detector drawing only. Longer excitation narrows the ideal resonance.

💡 Repères physiques
  • À ν_rf = νc, l’excitation quadrupolaire convertit le magnétron lent en cyclotron modifié rapide. Le gradient magnétique convertit l’énergie radiale en énergie axiale ; les ions résonants arrivent plus vite. La résonance est un minimum du temps de vol.
  • Largeur FWHM ≈ 0.8/T_rf pour une impulsion rectangulaire. Une excitation plus longue rétrécit le creux ; la précision statistique suit 1/(T_rf·√N).
  • L’impulsion rectangulaire possède des lobes secondaires de type sinc². Ramsey donne une frange centrale environ 40 % plus étroite et des franges latérales plus fortes. Ne confondez pas une frange latérale et le centre.
  • Masse : m = qB/(2πνc), avec B étalonné par une référence. Une erreur de 0.1 Hz à 808 kHz vaut δm/m ≈ 1.2×10⁻⁷, soit environ 15 keV à A = 133.

🌀 Séparer l’isomère par PI-ICR

Après t_acc, la phase cyclotron de chaque ion est projetée sur un détecteur de position. Fondamental et isomère diffèrent de Eₓ/c² ; leurs taches se séparent de Δφ = 2π Δνc t_acc. Cherchez un temps qui les sépare.

💡 What do these controls mean?

Search an ion or enable multiple ions. Other states includes catalogue records beyond the default ground/isomer list. Mass table chooses the evaluated source; B sets the field. Accumulation time sets phase growth; longer time can also wrap the separation around 360°.

Radius is the detector-ring radius; spot width uses the displayed 0.1 mm unit. Ratio and contamination set populations. σ is the spot-width separation target, not mass uncertainty. Phase offsets move reference/ion origins; the clock rounds requested time to achievable time. Detector practice adds an angular floor and centroid counts; the seed repeats noise. Open the phase/timing guide for details. U₀ and d set the ideal trap frequencies.

Phase de référence et synchronisation

Décalages antihoraires des figures du détecteur dans le repère magnétron. Le premier ion, ou le fondamental d’une paire, fixe les fréquences de référence. Avec superposition, le temps avance à la solution suivante de νc t + (δ₊ − δ₋)/360° = entier. L’horloge initiale arrondit à 4 ns selon PyMassScanner et affiche l’écart restant. Le temps idéal donne une superposition exacte. Graphiques, tours, incertitudes et exports utilisent le temps réalisé. L’origine commune tourne toutes les taches sans changer les séparations.

α₋ = α₀ + δ₋; α₊ = α₀ + δ₊ + 360°νc t; νc = ν₊ + ν₋.

Méthode PI-ICR de phase et superposition

Détecteur et entraînement

La première espèce est la référence. Tours totaux = νc t ; Δ tours = (νc − νc,ref)t. Les angles résiduels sont repliés sur [−180°, 180°). Le premier temps opposé vaut 1/(2|Δνc|) ; des fréquences égales ne se séparent jamais. Ce temps dépend de la paire et est arrondi au pas de 0.01 ms. Les fréquences de simulation sont connues.

Comparer les temps d’accumulation

Les fréquences connues de simulation donnent le nombre entier de tours. Les temps supplémentaires révèlent le repliement des phases ; ils ne déterminent pas un nombre expérimental inconnu.

Angles antihoraires. L’origine commune tourne toutes les taches sans changer leurs séparations. Le dessin utilise un rayon de 21.00 mm, porté à 32.00 mm si une tache dépasse 20.00 mm. Il ne modélise pas les pertes d’acceptance du détecteur.

σ est l’écart-type angulaire d’un événement. La recherche teste toutes les paires par pas de 0.01 ms jusqu’à 5000 ms, repliement compris ; ce n’est pas un niveau de confiance ajusté.

Le σ extérieur règle le flou et la résolution de phase. Le σ central ne modifie que la tache centrale, pas les espèces en orbite.

σ est l’écart-type angulaire des événements individuels. 2.355σ approche la FWHM d’un pic gaussien ; ce n’est ni un niveau de confiance ni l’erreur combinée de deux centroïdes. Le préréglage et la saisie manuelle contrôlent la même cible pour la recherche et la comparaison.

💡 Repères physiques

Par rapport à l’origine commune, νc = (φ + 2πn)/(2πt), φ en radians et n tours complets. La simulation connaît n ; l’expérience doit le déterminer. Pour une énergie de repos supplémentaire E à charge fixe : |Δνc|/νc = E/(mion c² + E). Aux petits angles, σφ ≈ σx,y/r ; r est modifiable, initialement 10.00 mm. R = 2πνc t/(2.355 σφ) est un repère FWHM, pas une erreur de masse. Un temps plus long peut superposer à nouveau les taches.

Le piège idéal combine cyclotron rapide ν₊, magnétron lent ν₋ et axial νz. Φ = U₀(z² − r²/2)/(2d²), νc = qB/(2πmion), νz = √(qU₀/(mion d²))/(2π), ν± = [νc ± √(νc² − 2νz²)]/2. Il faut νc² > 2νz². Identités : ν₊ + ν₋ = νc et ν₊² + ν₋² + νz² = νc² ; au premier ordre, ν₋ ≈ U₀/(4πBd²).

Quel angle correspond à 1 keV ?

Il s’agit de +1 keV d’énergie de repos, pas cinétique : δm = 1 keV/c² = 0.00000107354410 u. À charge et B fixes, δνc = −νc δm/(mion + δm), δφ = 360° δνc t. Négatif signifie en retard dans la convention antihoraire. Cela dépend du premier ion et du temps ; c’est un incrément hypothétique, pas une excitation mesurée.

🪞 Séparer les isobares par MR-TOF

Les ions se réfléchissent entre deux miroirs électrostatiques. Chaque tour augmente le temps de vol et la séparation temporelle des isobares, tout en élargissant les pics. Commencez avec la largeur du paquet initial puis ajoutez des tours.

💡 What do these controls mean?

Select an ion pair or enable manual input. Ratio sets their relative abundance; Counts sets simulated events. Laps sets the number of mirror round trips.

Δt₀ is the starting time width, Δt/lap the added broadening per lap, t/lap the round-trip time, and t₀ the initial flight time. Use the units shown. More laps may separate peaks but also broaden them. Sum adds the peaks; log R changes the resolving-power scale.

💡 Repères physiques

t(N) = t₀ + N·T_lap ∝ √m, Δt = t·Δm/(2m), FWHM² = Δt₀² + (N·δ)², R = t/(2·FWHM). Séparation si Δt ≥ FWHM, soit R ≥ m/Δm. La largeur initiale domine aux faibles tours ; l’élargissement par tour limite R aux grands nombres de tours.

🧲 Garder les ions : piège de Paul linéaire / filtre RFQ

Les ions traversent le champ quadrupolaire alternatif de quatre électrodes. Seuls les points (q,a) stables restent dans r₀ ; les autres croissent et frappent une barre. Réglez U et V pour transmettre seulement la masse visée.

💡 What do these controls mean?

Choose ions and a target; Custom accepts a comma-separated list such as 100Sn, 99In, 133Cs+2. A is mass number, V the RF voltage, U the DC voltage, r₀ the electrode radius, and Ω/2π the RF frequency.

Emittance sets the initial spread relative to r₀. Cycles sets residence in RF periods, Speed only playback. A seed repeats the same simulated initial ensemble. Stability cutoffs describe an ideal Mathieu model; transmission is a trajectory result for that ensemble.

V est l’amplitude RF zéro-crête ; U la tension continue. Ce modèle transverse sans collision illustre la transmission en durée finie. Transport axial, gaz tampon, charge d’espace et champs de bord sont omis. Équation de Mathieu

Trap design, inverse calculations and derivations

RFQ rod potentials are ±(U−V cos Ωt). V is the zero-to-peak amplitude of one rod pair relative to ground; the differential amplitude is 2V. The cooling panel uses differential V_RF, so equal numerical voltages are not interchangeable.

Φ=(U−V cos Ωt)(x²−y²)/r₀² → Eₓ=−2(U−V cos Ωt)x/r₀², Eᵧ=+2(U−V cos Ωt)y/r₀².
τ=Ωt/2 → x″+(a−2q cos 2τ)x=0, y″+(−a+2q cos 2τ)y=0.
a=8QU/(mr₀²Ω²), q=4QV/(mr₀²Ω²), a/q=2U/V.
νx,y=βx,y f_RF/2; ν≈f_RF√(a+q²/2)/2 in the adiabatic approximation only.

Inverse design uses the selected target ion, radius and RF frequency. Preview before applying; any edit invalidates the previous preview. Nominal depth QqV/4 is for U=0 at r=r₀ in the ideal adiabatic model, rather than a measured rod-surface barrier. Mass cutoffs describe the infinite-time first stability region; finite-residence transmission may differ. NIST DLMF

Droite de fonctionnement et limites de masse

Les limites idéales de Mathieu ne sont pas des efficacités de transmission mesurées. V est l’amplitude RF zéro-crête ; crête-à-crête = 2V. Les limites dépendent de la charge ; les valeurs sont m/z en u/e.

💡 Repères physiques

Les cycles règlent le séjour, pas la longueur : N cycles à f MHz donnent t = N/f µs. Ainsi 60 cycles à 1 MHz valent 60 µs. Une longueur exigerait la vitesse axiale L = vz t, non simulée. r₀ est la distance axe–électrode, initialement 10 mm ; V est zéro-crête, U continu, Ω = 2πf. z compte les charges positives, m/z la masse par charge. Les paramètres de Mathieu a,q suivent a/q = 2U/V. LMCO/HMCO sont des limites idéales, pas des efficacités mesurées. La dispersion initiale fixe le disque de départ et les vitesses du modèle, pas une émittance mesurée. La vitesse d’animation n’altère ni a,q ni les limites ; la graine répète les lancements. Survivre un temps fini ne prouve pas la stabilité infinie.

❄️ Refroidissement laser — Mélasse optique : refroidir le nuage

Un laser décalé vers le rouge freine les atomes et ions : la particule voit le faisceau opposé à son mouvement rapproché de la résonance. Chaque absorption transfère ħk ; l’émission spontanée aléatoire réchauffe. Leur équilibre fixe la température Doppler.

Deux faisceaux opposés selon x. Réglez désaccord et intensité, allumez le laser et approchez la limite ħΓ/2k_B.

Save animation and conditionsAfter recording, use Save recorded video below its preview. Captures include parameters and physical time.
Playback and careful inspection

How speed, accuracy and video work together

Speed changes the number of safe steps or the analytic clock advance, without enlarging the numerical timestep. Use slow playback or single steps for inspection. Fast playback is limited by a per-frame work cap and may fall below the requested multiplier. The physical clock reports the actual advance. Video fps controls capture sampling; it does not guarantee resolution of rapid motion. Shorten the observation span and record slowly to reduce aliasing.

Objectif : T < 1.2 × limite Doppler

Nuage, couleur selon la vitesse
Distribution des vitesses et force F(v)
Température selon le temps

📐 Principes physiques détaillés

Diffusion : R = (Γ/2)s₀/(1+s₀+(2Δ/Γ)²), Δ = δ − k·v, k = 2π/λ. Γ est la largeur angulaire et s₀ la saturation.

Pression lumineuse : chaque absorption donne ħk selon le faisceau. L’émission spontanée est aléatoire. La force moyenne d’un faisceau vaut F = ħk R.

Deux faisceaux rouges opposés donnent F(v) = ħk[R(δ−kv)−R(δ+kv)] ≈ −βv pour |kv| ≪ Γ, β = −8ħk²δs₀/[Γ(1+s₀+(2δ/Γ)²)²]. La capture est limitée à environ (Γ/2k)√(1+s₀).

Le recul produit la diffusion D₀ = ħ²k² R_tot(1+η)/2, avec η = 1 en 1D et 1/3 pour une émission 3D isotrope projetée sur l’axe.

L’équilibre donne k_BT = D₀/β = ħΓ(1+η)(1+s₀+(2δ/Γ)²)/(16|δ|/Γ). À faible saturation et η=1, T_D = ħΓ/2k_B. T_r = ħ²k²/(m k_B) ; une raie étroite exige un traitement du recul.

La simulation tire les nombres de photons selon Poisson et applique les impulsions d’absorption et d’émission. La température fluctue donc autour de la valeur analytique. δ > 0 produit un anti-amortissement.

💡 Conseils

À faible intensité, le minimum Doppler est à δ = −Γ/2. Augmenter s₀ accélère le refroidissement mais élargit la raie : T ∝ (1 + s₀ + (2δ/Γ)²)/(2|δ|/Γ).

Au-delà de la vitesse de capture ≈ Γ/2k, l’interaction est faible. Commencez plus froid ou avec un désaccord plus grand.

Modèle à deux niveaux, sans structure hyperfine, état noir ou micromouvement. Ca⁺ nécessite un repompage. Les résultats sont des estimations pédagogiques, pas une expérience.

📚 Sources
💡 Parameter guide, physical basics and experiments

The 3D motion and cooling curves use the same clock. Spatial trajectories are projected onto the screen; rotating the camera does not change the ions. Dynamics use ideal fields, classical ions and independent two-level beams.

Each beam scatters at R = (Γ/2)s/[1+s+(2(δ−kv)/Γ)²]. Absorption gives ±ℏk momentum; spontaneous emission gives random 3D recoil. Axis temperatures use velocity variance after removing centre-of-mass drift, Tᵢ=m Var(vᵢ)/kB; mean temperature averages the axes. Micromotion and collective motion can enter this diagnostic; it is not automatically an equilibrium temperature.

Parameter / quantityMeaning, effect and use
Species / transitionMass sets recoil and trap frequencies. Wavelength sets photon momentum; linewidth sets scattering and Doppler scales. The simplified beams omit repumper dynamics.
Detuning δ/ΓNegative detuning usually damps velocity; positive detuning heats. Start at −0.5, then compare +0.5. Γ is the angular decay rate: Γ = 2π × linewidth in MHz.
Saturation sLarger s increases scattering but also recoil and power broadening; it does not guarantee a colder cloud. Original/analytic panels use per-beam s; the 3D panel divides its intensity scale by six per active beam.
Initial temperatureSets the initial Gaussian velocity variance, not the final equilibrium. A small sample need not equal the requested temperature exactly. Use a fixed seed when comparing conditions.
Particle countMore particles smooth statistical noise, but Coulomb pair computation grows as N². Begin with 8–12; use a small count for the actual RF model.
Emission recoil / photon modelRandom photon emission heats while red-detuned absorption cools. Isotropic emission spreads recoil over three axes. The desktop mean-force option removes this diffusion and cannot predict a Doppler equilibrium.
Magnetic field B (T)Penning only. Larger B raises the cyclotron frequency and changes the magnetron frequency and cooling window. Require ωc² > 2ωz². Fine decimal entry is a numerical setting, not field accuracy.
U₀ and characteristic length dAnalytic Penning model: ωz² = Q U₀/(m d²), so larger U₀ or smaller d tightens axial confinement but can destroy radial stability. The 3D model takes axial frequency directly.
Axial frequency νz (kHz)Confines z. In a Paul trap its DC field defocuses x/y; in a Penning trap it changes both radial modes. Recheck stability after increasing it.
RF frequency and Mathieu qPaul only. The time-averaged radial frequency obeys ωr² ≈ Ω²q²/8 − ωz²/2. Increasing q tightens confinement but increases micromotion. The displayed stability check is a secular/first-band guide, not a complete Floquet map.
Time-averaged versus actual RFThe averaged potential removes fast micromotion. Actual RF integrates the oscillating quadrupole and includes micromotion in kinetic temperature. Compare at the same seed and duration. Penning has no RF quadrupole in this model.
Radial beam offset yb (µm)Penning: offset creates an intensity-gradient torque. Zero offset cools cyclotron motion but can heat magnetron motion. Suggest offset searches the analytic small-amplitude window; numerical 3D results need not have the same optimum.
Beam waist w (µm)Gaussian intensity is proportional to exp[−2(y−yb)²/w²]. A narrower beam strengthens gradients but covers less of the orbit. Analytic rates are local approximations; use amplitude much smaller than w.
Beam tilt θAnalytic Penning: increasing tilt supplies an axial cooling component while reducing the radial component. The fancier 3D Penning model instead has one radial +x beam and two axial ±z beams; it is a different beam geometry.
Initial r₊, r₋ and z amplitudesAnalytic Penning starts the three envelopes at this amplitude. Large values can leave the linear cooling regime. Start with 20 µm and a 100 µm waist. Inspect time shows later amplitudes; it does not change the initial value.
Initial cloud σ / relaxation3D: σ is the Gaussian width on each spatial axis. A random interacting cloud can release electrostatic energy and warm initially. Paul Relax initial positions prepares an approximate local configuration before the clock starts; it is not simulated cooling or a proven global minimum.
Coulomb repulsionRepulsion redistributes energy and may create ordered structures. The force is softened at 0.3 µm to avoid a singular close encounter. Shape alone is not proof of a crystal phase. Penning begins with repulsion off for a clear single-particle comparison.
Observation duration / inspect timeDuration sets the physical end time; playback speed changes presentation. Analytic Show this time jumps to the chosen envelope time. Reset restarts at t=0. All 3D projections and temperatures share one clock.
Radial/axial ranges, zoom and cameraRanges are half-widths in µm. Fixed limits reveal shrinkage; fit reveals detail. Zoom and camera never alter the physics. A clipped orbit is marked; clipping is distinct from an ion crossing the model aperture.
Random seedSame seed plus identical settings and numerical steps repeats the stochastic run. Different seeds change photon histories. Compare trends over several seeds before interpreting small differences.
βrω₋ < F′ < βrω₊βr is the radial friction coefficient (N·s/m); F′ is the transverse force gradient (N/m). For βr>0, F′/(2πβr) must lie between ν₋ and ν₊. Negative amplitude rates cool; positive rates heat. The logarithmic frequency axis makes both boundaries visible.
PNG / CSV / settingsPNG saves the views; CSV saves physical traces and a parameter header. Browsers normally save to their configured download folder; choose your preferred local folder. Desktop exports include particle coordinates, inputs, structure diagnostics and PNG/PDF/SVG. No data are uploaded.
Centre view on cloudSubtracts the cloud mean position from the drawing only. Combine with Fit whole view to resolve a cold cloud that has drifted off the trap centre. Coordinates are then relative to the cloud centre; exported physics and temperature remain unchanged.

Suggested sequence: (1) compare red and blue detuning in optical molasses; (2) compare zero and suggested offset in analytic Penning, show 50 ms and fit the orbit; (3) choose Paul or Penning in the fancier panel and compare all three axes; (4) compare averaged and actual RF for Paul; (5) save CSV after fixing parameters and seed. Penning confinement has no positive-definite static 3D electric-potential minimum, so Paul static relaxation must not be applied to Penning.

Leibfried et al. (2003) · Hendricks et al., Penning cooling · Ca⁺ transition measurement

🧪 Periodic table & origin of the elements

Colour the table by chemical block, by astrophysical origin (several sources per element), by state or as a property heat map; then play the origin highlight game.

…

🧩 Nombres magiques et éléments

Questions sur le paysage nucléaire.

🦓 Panorama des pièges

Schémas animés de dispositifs qui stockent ou guident les ions, sans échelle.

Animated sketches, not to scale. Red/blue = electrode polarity (switching with the RF where relevant); the coloured trail is one ion or atom.

Hyperbolic Penning trapStrong axial magnetic field + weak electric quadrupole. Three eigenmotions: fast cyclotron ν₊, slow magnetron ν₋, axial ν_z; ν₊ + ν₋ = ν_c = qB/(2πm) gives the mass.
Cylindrical Penning trapSame principle with stacked open cylinders: easy injection and ejection; correction electrodes make the potential harmonic. Used for purification and precision traps (e.g. JYFLTRAP).
Paul (RF) trapOnly an oscillating (RF) electric quadrupole: the force switches faster than the ion can escape and averages to a confining pseudopotential (Mathieu stability).
Linear Paul trap / RFQFour rods with RF give radial confinement (cross-section shown); DC end electrodes trap axially. With buffer gas it cools and bunches beams — the cooler-buncher before every trap.
MR-TOF mass spectrometerTwo electrostatic mirrors fold a flight path of kilometres into a metre: TOF ∝ √(m/q), resolving power above 10⁵ within milliseconds; also a fast isobar separator.
Storage ringDipole magnets bend and quadrupoles focus the circulating ions; the revolution frequency gives m/q (isochronous or Schottky mass spectrometry), even for a single ion.
Electron-beam ion trap (EBIT)A dense electron beam ionises ions step by step and holds them radially by its space charge; drift-tube potentials trap them axially — source of highly charged ions.
OrbitrapIons orbit a spindle electrode inside a barrel and oscillate along it with ω_z = √(k·q/m); the Fourier transform of the image current gives the mass spectrum.
Magneto-optical trap (MOT)Six red-detuned laser beams slow neutral atoms by Doppler cooling; an anti-Helmholtz quadrupole field makes the scattering force push them to the centre — clouds at µK temperatures.
Optical tweezer / dipole trapA tightly focused far-detuned laser beam induces a dipole that is pulled into the intensity maximum (optical dipole force): single atoms held at the focus, arrays for quantum simulation.