Fluctuations RF du potentiel flottant

Afin d’effectuer les mesures de sonde de Langmuir dans de bonnes conditions, il est n´ecessaire de v´erifier que les fluctuations RF du potentiel plasma sont faibles. Lors du balayage en

42 Chapitre 2. Dispositif exp´erimental

c)

Figure 2.13 –Effet des fluctuations RF du potentiel plasma sur une caract´eristique I-V [Lieberman and Lichtenberg 2005].

tension, le potentiel plasma oscille avec la fr´equence d’excitation RF ou de ses harmoniques sup´erieures. Ainsi, lorsque la dur´ee de balayage est tr`es grande devant la dur´ee des fluctuations RF (t<sub>bal</sub>≫t<sub>fluc</sub>), la caract´eristique courant-tension (I-V) de sonde de Langmuir est modifi´ee comme illustr´e dans la figure2.13[Lieberman and Lichtenberg 2005]. Ce type de fluctuations augmente artificiellement les temp´eratures ´electroniques sur les mesures de sonde de Lang-muir. Une FPEE obtenue dans les conditions de fortes fluctuations RF est repr´esent´ee sur la figure2.14. On constate que les param`etres plasmas sont difficilement exploitables depuis les mesures dans des environnements o`u les fluctuations RF sont importantes.

La sonde capacitive pr´esent´ee dans la sous-section 2.2.1 sera utilis´ee pour effectuer les me-sures. Celles-ci seront effectu´ees sans et avec champ magn´etique gaussien centr´e en 7,5 cm.

Des mesures ont ´et´e r´ealis´ees avec et sans les parois di´electriques afin de voir l’influence de la propri´et´e des parois sur les fluctuations du potentiel plasmas. Une ´etude en pression a

´egalement ´et´e r´ealis´ee.

Evolution de la boite d’accord

Les figures2.15(a) et (b) repr´esentent les fluctuations RF du potentiel plasma `a 4 MHz (fon-damentale) pour les parois di´electriques et conductrices respectivement sans et avec champ magn´etique. Dans les deux cas, les fluctuations avec les parois di´electriques sont tr`es impor-tantes, entre 24 et 18 VRMS sans champ magn´etique et entre 20 et 15 VRMS avec champ magn´etique, compar´ees au cas avec les parois conductrices o`u les fluctuations sont toujours inf´erieures `a 2 V_RMS. La FPEE repr´esent´e sur la figure 2.14 est obtenue pour les parois di´electriques avec 15 VRMS de fluctuations RF.

2.3. Challenges pour des mesures correctes 43

Figure 2.14 – Fonction de distribution avec des fluctuations RF de l’ordre de 20 V en SF6 avec champ magn´etique Gaussien centr´e `a 7,5 cm `a une pression de 1 mTorr.

0 5 10 15

Figure 2.15 –Mesure des fluctuations RF en fonction de la distance `a la fenˆetre en c´eramique avec la premi`ere version de la boite d’accord avec les parois conductrices et di´electriques a) sans champ magn´etique et b) avec champ magn´etique Gaussien centr´e `a 7,5 cm.

Les mesures avec les parois di´electriques sont r´ealis´ees pour ´evaluer les densit´es de plasmas devant les grilles et d´eterminer les caract´eristiques des grilles n´ecessaires `a un faisceau foca-lis´e en sortie. Pour ce faire, la boite d’accord a ´et´e modifi´ee par LaraPopelier [2012] afin de diminuer les fluctuations du potentiel plasma. Pour cela, une capacit´e a ´et´e rajout´ee pour dissym´etriser la tension dans la bobine. La figure2.16 (a) et (b) montrent les mesures iden-tiques avec la boite d’accord modifi´ee : on constate que les r´esultats avec et sans Pyrex sont

´equivalents.

Selon le type de parois, conductrices ou di´electriques, il semble que les fluctuations RF du potentiel plasma se d´eveloppent diff´eremment. Avec des parois di´electriques, le plasma semble plus sensible au couplage capacitif qu’avec des parois conductrices, probablement `a cause de l’augmentation de l’imp´edance entre le plasma et les murs di´electriques du r´eacteur [Godyak

44 Chapitre 2. Dispositif exp´erimental

Figure 2.16 –Mesure des fluctuations RF en fonction de la distance `a la fenˆetre en c´eramique avec la deuxi`eme version de la boite d’accord avec les parois conductrices et di´electriques a) sans champ magn´etique et b) avec champ magn´etique Gaussien centr´e `a 7,5 cm.

et al.1999]. Les fluctuations peuvent aussi ˆetre modifi´ees avec la sym´etrisation de la tension dans la bobine et la re-localisation de la masse virtuelle de la bobine excitatrice au centre de celle-ci. La nouvelle boite d’accord r´ealis´ee est celle utilis´ee pour obtenir les r´esultats de ma th`ese.

Evolution des fluctuations en fonction de la pression

Une ´etude en fonction de la pression a ´et´e r´ealis´ee pour le propulseur en aluminium (pa-rois conductrices) et celui en Pyrex (pa(pa-rois di´electrique). Les pressions utilis´ees sont 1, 10 et 100 mTorr afin de constater l’´evolution des 4 premi`eres harmoniques (4, 8, 12 et 16 MHz).

L’int´erˆet de distinguer les diff´erentes harmoniques est principalement de caract´eriser le cou-plage ICP. En effet, la premi`ere harmonique (fondamentale) est caract´eristique du coucou-plage capacitif. L’origine des autres harmoniques est moins ´evidente et semble due `a des effets non lin´eaires caus´es par la force de Lorentz dans l’´epaisseur de peau [Godyak and Kolobov 1998, Godyak 2003].

Parois conductrices Les figures 2.17 (a), (b) et (c) repr´esentent l’´evolution des quatre premi`eres harmoniques en fonction de la distance `a la fenˆetre en c´eramique, sans champ magn´etique, avec des pressions de respectivement 1, 10 et 100 mTorr. On constate que pour une pression de 1 mTorr la seconde et la quatri`eme harmoniques ont quasiment les mˆemes valeurs, toujours inf´erieures `a 1 VRMS et sup´erieures `a la fondamentale, constante au-tour 0,3 V<sub>RMS</sub>. La troisi`eme harmonique est quasi-nulle. Lorsque la pression augmente, pour 10 mTorr la seconde et la quatri`eme harmoniques semblent s’amortir alors que la fondamen-tale reste autour de 0,3-0,2 VRMS. Ainsi, pour une pression de 100 mTorr, la fondamentale est sup´erieure aux autres harmoniques autour de 0,2-0,1 V_RMS.

2.3. Challenges pour des mesures correctes 45

Figure 2.17 – Mesures des quatre premi`eres harmoniques des fluctuations RF en fonction de la distance `a la fenˆetre en c´eramique avec les parois conductrices sans champ magn´etique `a une pression de a) 1 mTorr, b) 10 mTorr et c) 100 mTorr, avec les parois conductrices avec champ magn´etique Gaussien

`a une pression de d) 1 mTorr, e) 10 mTorr et f) 100 mTorr, avec les parois di´electriques sans champ magn´etique `a une pression de g) 1 mTorr, h) 10 mTorr et i) 100 mTorr, avec les parois di´electriques avec champ magn´etique Gaussien `a une pression de j) 1 mTorr, k) 10 mTorr et l) 100 mTorr.

Les figures 2.17 (d), (e) et (f) repr´esentent l’´evolution des quatre premi`eres harmoniques en fonction de la distance `a la fenˆetre en c´eramique, avec champ magn´etique gaussien centr´e `a 7,5 cm, avec des pressions de respectivement 1, 10 et 100 mTorr. On constate pour 1 mTorr que les fluctuations sont importantes entre 0,5 et 5 cm de la bobine, puis restent constantes et inf´erieures `a 0,2 V_RMS. La fondamentale est l´eg`erement sup´erieure avec un maximum

46 Chapitre 2. Dispositif exp´erimental

0 5 10 15 20

0 0.5 1 1.5

¡ (eV)

Larmor radius (mm) 250 G

220 G 180 G 120 G

Figure 2.18 –Evolution du rayon de Larmor en fonction de l’´energie des ´electrons pour des intensit´es de champ magn´etique de 250, 220, 180 et 120 G.

de 2 VRMS, la seconde harmonique avec un maximum de 1,5 VRMS, la quatri`eme avec un maximum de 0,9 V<sub>RMS</sub> et enfin la troisi`eme avec un maximum de 0,7 V_RMS. Lorsque la pression augmente, comme dans le cas sans aimant, les fluctuations s’amortissent pour avoir un maximum `a 0,7 VRMS pour la seconde harmonique `a 10 mTorr et 0,5 VRMS pour la fondamentale `a 100 mTorr.

Parois di´electriques Les figures 2.17 (g), (h) et (i) repr´esentent l’´evolution des quatre premi`eres harmoniques en fonction de la distance `a la fenˆetre en c´eramique, sans champ magn´etique, avec des pressions de respectivement 1, 10 et 100 mTorr. On constate pour une pression de 1 mTorr, seule la seconde harmonique domine avec un maximum de 1,3 VRMS

alors que les trois autres harmoniques sont inf´erieures `a 0,5 VRMS. Comme pr´ec´edemment, plus la pression augmente plus les fluctuations s’amortissent pour ˆetre inf´erieures `a 0,5 V_RMS pour 10 mTorr et inf´erieures `a 0,3 VRMS pour 100 mTorr.

Les figures2.17 (j), (k) et (l) repr´esentent l’´evolution des quatre premi`eres harmoniques en fonction de la distance `a la fenˆetre en c´eramique avec champ magn´etique gaussien centr´e `a 7,5 cm avec des pressions de respectivement 1, 10 et 100 mTorr. Pour 1 mTorr, la fonda-mentale domine avec un maximum `a 2,7 VRMS. Viennent ensuite la seconde et la quatri`eme harmoniques avec des maxima respectifs de 1,5 et 1 VRMS, et enfin la troisi`eme avec un maximum de 0,4 VRMS. Comme observ´e pr´ec´edemment, les fluctuations s’amortissent avec l’augmentation de la pression.

2.3. Challenges pour des mesures correctes 47

B

e^-

e^- e^- e^-

e^-

e^- e^- e^-

Parallèle Perpendiculaire

Faible B Fort B

a) b)

c) d)

Conditions

a >> r_Le l << r_Le

a << r_Le l >> r_Le

Figure 2.19 –Schema descriptif d’une sonde de Langmuir plong´ee a) et b) parall`element et c) et d) perpendiculairement au champ magn´etique dans un plasma a) et c) faiblement magn´etis´e et b) et d) fortement magn´etis´e.

2.3.2 Sonde de Langmuir dans les plasmas magn´etis´es