Diffuseur Parois externes Cas 1 diélectrique diélectriques
IV. B 4 b Caractéristiques du faisceau ionique
Nous avons vu dans la section IV. 3 que l’influence sur la distribution du courant de décharge à travers les lignes du champ magnétique se répercute sur la tension de décharge.
faisceau ionique calculée au niveau du plan de sortie pour différentes valeurs de courant d’émission cathodique. 0 50 100 150 200 0 5 10 15 20 25 30 35
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énergie (eV)
Ianode=1 A, Icathode=1 A I anode=1 A, Icathode=2 A I anode=1 A, Icathode=3 A I anode=1 A, Icathode=5 AFig. IV. 27. Distributions en énergie du faisceau ionique calculées au niveau du plan sortie pour différentes valeurs du courant d’émission cathodique, pour les conditions standards.
Par ailleurs, le chauffage des électrons est aussi sensible à la valeur de la tension de décharge. L’énergie des électrons présents dans la région anodique passe de ~19 eV pour un courant d’émission cathodique de 1 A à ~24 eV et un courant d’émission cathodique de 5 A. Ce qui rend les électrons, présents dans la zone anodique, plus ionisants et améliore par conséquent le taux d’ionisation. Ceci se reflète sur l’intensité du faisceau ionique qui est de ~850 mA, ~860 mA, ~880 mA et ~900 mA pour un courant cathodique de 1 A, 2 A, 3 A et 5 A et un courant d’anode de 1 A.
Les résultats, présentés dans la section IV. 4, sont en accord, d’un point de vue qualitatif, avec [Zhu08].
IV. C. Conclusion
Dans ce chapitre nous avons étudié l’influence de différentes conditions aux limites sur le comportement de la source EHIS ; Notamment, l’émission des électrons par la cathode, la nature des parois ainsi que le rôle du courant collecté par les parois externes. Les résultats présentés dans ce chapitre nous permettent de comprendre d’avantage le comportement de la source. En effet, ces résultats, obtenus pour un courant de décharge de 1 A et pour un débit d’injection de gaz de 0.50 mg/s ; une pression résiduelle correspondante à ce débit est de 8.4 mPa, établissent :
Configuration de la cathode
• L’injection des électrons dans le plasma en dehors de la zone axiale donne lieu à une barrière de potentiel dans cette zone. Cette barrière a pour but d’attirer des électrons à partir de la ligne de champ magnétique qui intercepte la cathode vers la zone axiale afin de neutraliser les ions présents dans cette région.
• La présence de barrière de potentiel dans la zone axiale influence les trajectoires ioniques et modifie les caractéristiques du faisceau ionique. En effet, elle étale la population des ions lents dans une gamme d’énergie [0 eV, 25 eV] (ce qui correspond à la distribution des ions lents observée expérimentalement).
• La tension de décharge est proportionnelle à la distance anode-cathode. En effet elle est de ~110 V lorsque les électrons sont émis dans l’axe de symétrie (6.15 cm, 0 cm) et chute à ~90 V lorsque les électrons sont émis à (6.15cm, 2.15 cm). Ceci est dû au fait que la résistivité du plasma est anti-proportionnelle au nombre de lignes du champ magnétique séparant la cathode de l’anode.
• La barrière de potentiel empêche une partie des ions d’atteindre la zone axiale et réduit le pic de densité de 8x1019 m-3 à 2x1019 m-3.
• En l’absence de barrière de potentiel, la densité de courant du faisceau ionique est très focalisée. A 15 cm de la source, la densité de courant du faisceau ionique est de ~ 6mA/cm² dans l’axe de symétrie et est de ~4 mA/cm² à 25 ° de cet axe. En présence de la barrière de potentiel dans la zone axiale, le faisceau ionique est plus homogène, la densité de courant du faisceau ionique est de ~4 mA/cm² à 15 cm de la source (ce qui se rapproche plus des observations expérimentales).
• Le potentiel plasma est minimal pour la ligne du champ magnétique qui intercepte la cathode du fait de l’abondance des électrons autours de cette ligne. Un puits secondaire prend forme autour de cette ligne. Les ions lents sont piégés dans le puits secondaire. La densité de courant du flux d’ions lents montre que l’intensité de ce flux dans la zone axiale est quasi-nulle et qu’il se concentre essentiellement dans les ailes du faisceau ionique.
• En présence de la barrière de potentiel dans la zone axiale, l’intensité du flux de neutres non-thermiques devient non-négligeable devant l’intensité du faisceau ionique. Dans ce cas, le rapport entre l’intensité du flux d’atomes non-thermiques et le faisceau ionique est de ~1/3.
• L’ensemble des résultats discutés dans la section IV. 2 montre que le comportement et les caractéristiques du faisceau ionique sont plus réalistes (relativement aux mesures
Énergie des électrons issus de la cathode
• L’énergie des électrons dans la région axiale est proportionnelle à l’énergie des électrons injectés dans le plasma à partir de la cathode.
• La distribution du potentiel plasma le long des lignes de champ magnétique, dans la zone axiale dépend des valeurs de l’énergie des électrons issus de la cathode. Le gradient de potentiel plasma le long des lignes de champ magnétique est plus important pour les hautes valeurs d’énergie électronique.
• La distribution des ions lents dépend de l’énergie des électrons dans la zone axiale. Du moment que les ions lents sont créés, par échange de charge, qui prend lieu essentiellement dans zone axiale aux voisinages du pic de densité ionique et que ces ions sont accélérés par le gradient de potentiel le long des lignes du champ magnétique.
• La comparaison des distributions en énergie du faisceau ionique avec les mesures expérimentales prouvent que l’énergie des électrons dans la zone axiale ne peut dépasser ~ 2 eV. Ceci nous renseigne sur l’énergie des électrons injectés dans le plasma à partir de la cathode. Nos résultats attestent que l’énergie de ces électrons est du même ordre que celles d’électrons thermiques issus d’un filament à ~2700 K ce qui correspond à des électrons à ~ 0.5 eV (électrons émis par effet thermoélectrique à partir d’un filament chauffé à ~2700 K).
Nature des parois
• La nature du diffuseur n’influence que peu le comportement de la source du fait des faibles valeurs du courant électronique collecté par cette parois. Par contre, la nature des parois externes contrôle fortement le fonctionnement de la source.
• La distribution du courant de décharge à travers les lignes du champ magnétique montre que les valeurs de ce courant sont plus importantes pour des parois externes conductrices. Ceci est dû au fait que dans cette région, les pertes de courant ionique au niveau des parois sont plus importantes que les pertes de courant électronique au niveau de ces dernières.
• L’influence sur la distribution du courant de décharge se répercute sur la distribution du potentiel plasma. En effet, la tension de décharge est plus importante lorsque les parois externes sont conductrices. Ce qui accélère les ions rapides à des énergies plus importantes.
• Le faisceau ionique est plus focalisé pour des parois externes conductrices du fait que le puits de potentiel est plus profond pour des parois externes conductrices et la largeur à mi-hauteur de puits est plus étroite pour ce cas.
Courant d’émission cathodique
• Les valeurs du courant net collecté par les parois externes peuvent influencer la distribution du courant de décharge à travers les lignes du champ magnétique, notamment dans la région axiale. Ce qui augmente les valeurs de la tension de décharge et accélère les ions rapides à des énergies plus importantes. Par ailleurs, les électrons atteignent des énergies plus importantes dans la région axiale, ce qui améliore, légèrement, l’ionisation et rend le faisceau ionique plus intense.
Références du chapitre :
[Cum89] : J. J. Cumo, S. M. Rossnagel, and H. R. Kaufman, “Handbook of Ion Beam Procession Technology”, Noyes publications (1989)
[Sch01] : K. Scherer, “Nouveaux matériaux pour couches minces diélectriques à bas indices de réfraction. Application aux traitements antireflet sur verres ophtalmologiques”, Thèse de l’Université Pierre et Marie Curie (2001)
[Zhu08] : V. V. Zhurin, “Optimum Operation of Hall-Current Ion Sources”, private communication (2008)