Formation du plasma ion-ion

Le mod`ele pr´esent´e dans le chapitre 3, a permis l’´etude de la formation du plasma ion-ion ainsi que du transport des particules charg´ees au travers d’un filtre magn´etique. Les fonctions de distribution en ´energie des ´electrons et des ions ont ´et´e consid´er´ees dans ce mod`ele comme Maxwelliennes, ainsi toutes les informations sont comprises dans la temp´erature et la densit´e des diff´erentes esp`eces charg´ees.

Evolution des temp´eratures ´electronique et ioniques

La figure4.13(a) repr´esente l’´evolution des diff´erentes temp´eratures sur l’ensemble du r´eacteur.

Comme expliqu´e dans la section 3.2, les temp´eratures des ions ne sont accessibles que pour unα >100, o`u la FDEE n’est plus domin´ee par les ´electrons. Avant le maximum de champ magn´etique, seule la temp´erature des ´electrons est accessible. La temp´erature ´electronique d´ecroˆıt entre 0,5 et 7,5 cm de 7,5 `a 1,5 eV comme dans le cas de l’argon. T_e d´ecroit en

94 Chapitre 4. Etude du filtre magn´etique

Figure 4.13 – Evolution des temp´eratures ´electronique et ioniques positive et n´egative sur a) l’en-semble du r´eacteur et b) la zone ion-ion en fonction de la distance `a la fenˆetre en c´eramique pour un plasma de SF6 pur `a 1 mTorr, 220 W de puissance incidente et un champ magn´etique Gaussien de 245 G centr´e en 7,5 cm.

deux temps : une forte d´ecroissance a lieu entre 1,5 et 5,5 cm passant de 7,4 `a 2,2 eV puis une seconde d´ecroissance plus faible entre 5,5 et 7,5 cm passant de 2,2 `a 1,5 eV. Dans cette r´egion, le courant des charges n´egatives est principalement contrˆol´e par les ´electrons malgr´e la pr´esence des ions n´egatifs. Une fois pass´e le maximum de champ magn´etique (x= 7,5 cm), le courant ´electronique d´ecroit indiquant le passage vers le plasma ion-ion. La figure 4.13(b) est un agrandissement de la figure 4.13 (a) sur la zone ion-ion (entre 7,5 et 15 cm) o`u les temp´eratures des ions sont accessibles. La temp´erature ´electronique d´ecroit lin´eairement de 1 eV `a 0,42 eV. Les temp´eratures ioniques ´evoluent de la mˆeme mani`ere mais la temp´erature ionique positive est plus chaude de 0,05 eV. Les deux temp´eratures d´ecroient passant de 0,4

`

a 0,1 eV pour les ions n´egatifs et de 0,46 `a 0,15 eV pour les ions positifs. Ces temp´eratures peuvent paraˆıtre chaudes pour des ions n´egatifs, cependant des mesures ont d´ej`a montr´e des temp´eratures ioniques aussi ´elev´ees [Chabertet al.1999,Sirseet al.2011]. De plus, l’augmen-tation de la temp´erature vers le maximum de champ magn´etique est probablement due `a une structure de potentiel se formant `a cet endroit, ´etudi´ee dans la section 4.2.2. Durant cette

´etude, une variation brutale de potentiel a ´et´e observ´ee dans cette r´egion. Une telle variation de potentiel induit un fort champ ´electrique local qui acc´el`ere les ions positifs dans un sens et les ions n´egatifs dans l’autre. Ces mouvements ioniques transverses induisent un chauffage local des ions.

Evolution des densit´es ´electronique et ioniques

La figure 4.14 (a) repr´esente l’´evolution des densit´es de toutes les esp`eces charg´ees dans le r´eacteur. La densit´e ´electronique est approximativement constante de 0,5 `a 5 cm autour de 1×10¹⁷m⁻³ puis chute drastiquement de 3 ordres de grandeurs sur 3 cm pour aboutir autour de 1×10¹⁴ m⁻³ pour d´ecroitre tr`es l´eg`erement jusqu’`a la sortie du r´eacteur. Les densit´es

4.2. Effet du filtre magn´etique sur un plasma ´electron´egatif 95

Figure 4.14 –Evolution de a) des densit´es ´electronique et ionique positive et n´egative et b) deαen fonction de la distance `a la fenˆetre en c´eramique pour un plasma de SF6 pur `a 1 mTorr, 220 W de puissance incidente et un champ magn´etique Gaussien de 245 G centr´e en 7,5 cm.

ioniques sont, elles, quasiment ´egales, avec un maximum situ´e `a 1,5 cm pour une densit´e d’environ 9×10<sup>17</sup> m<sup>−3</sup>. Un maximum local est observ´e `a 6 cm autour de 3×10¹⁷ m⁻³, qui doit r´esulter de la structure du potentiel plasma pr´esent´e dans la section 4.2.2. Dans la r´egion ion-ion, les densit´es ioniques sont ´egales et d´ecroissent pour atteindre une valeur de 8×10¹⁶ m⁻³ en sortie de r´eacteur.

La figure 4.14 (b) repr´esente le ratio α = nin/ne en fonction de la distance `a la fenˆetre en c´eramique. Dans la partie ´electron´egative, l’´electron´egativit´e est maximum `a 1,5 cm pour une valeur de 8 o`u la densit´e ionique observe aussi un maximum. Une diminution s’en suit pour atteindre une valeur minimale de 3 `a 4,5 cm, puis une brusque remont´ee s’op`ere pour atteindre en l’espace de 2 cm une valeur maximale deα autour de 2500, qui d´ecroit jusqu’`a 1000 en sortie de r´eacteur.

D’apr`es ces mesures, la formation du plasma ion-ion en SF6 pur a lieu au maximum de champ magn´etique, les caract´eristique I-V deviennent sym´etrique pour α ∼100. La densit´e

´electronique chute de trois ordres de grandeur alors que la densit´e ionique reste du mˆeme ordre, permettant d’atteindre une ´electron´egativit´e de 2500. De plus la densit´e du plasma ion-ion obtenue en sortie de r´eacteur est de l’ordre de 1×10¹⁷ m⁻³ ce qui est tr`es important en consid´erant les 120 W de puissance de d´echarge inject´es dans le plasma. En effet, comme expliqu´e `a lasous-section 1.2.4, les autres moyens de cr´eer des plasmas ion-ion sont les plasmas puls´es. Or dans ces syst`emes, le plasma ion-ion ´etant cr´e´e pendant l’arrˆet du chauffage du plasma, les densit´es ioniques sont plus faibles. Tr`es peu d’articles donnent des valeurs de densit´e de plasma ion-ion [Kanakasabapathy and Overzet 1998], n´eanmoins les simulations donnent une densit´e de 2×10¹⁷m⁻³ pour une puissance volumique de 1 W.cm⁻³ [Economou 2007] contre, dans notre cas, 2×10¹⁷m⁻³ pour une puissance volumique de 0,12 W.cm⁻³. Les cons´equences pour les performance du propulseur PEGASES sont d´etaill´es dans lasection 5.4

96 Chapitre 4. Etude du filtre magn´etique

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