Mesure des param` etres d’´ equilibre

A cause des fluctuations de densit´e pr´esentes dans le plasma, les caract´eristiques ob- tenues avec une sonde de Langmuir plane en variant sa polarisation sont modul´ees par les fluctuations `a quelques kHz observ´ees. En ´echantillonnant la caract´eristique brute de la sonde on obtient les caract´eristiques respectives des minima et des maxima de densit´e (qu’on appellera parfois surdensit´es). Pour un mode r´egulier ces caract´eristiques per- mettent d’obtenir les param`etres du plasma aux deux moments correspondant aux deux phases extrˆemes (ϕ = 0[π]) des oscillations de densit´e, tandis que dans la situation turbu- lente elles repr´esentent simplement l’amplitude de variation des param`etres du plasma. Un exemple de caract´eristique brute obtenu `a l’aide d’un balayage de tension `a tr`es basse fr´equence (qqs dizaines de Hz) est visible figure 6.2 dans la situation du mode r´egulier l = 1. L’analyse des caract´eristiques ´echantillonn´ees permet d’estimer 4 des principaux

param`etres du plasma : densit´e ´electronique, temp´erature ´electronique, potentiel plasma et densit´e des primaires.

Figure 6.2 – Caract´eristique de sonde brute : a) sur la gamme Vpol= −35V → 20V , b) d´etail montrant

les oscillations du signal de sonde.

Commen¸cons par d´ecrire le plasma stable obtenu collecteurs `a la masse, c’est `a dire lorsque l’essentiel du courant ´electronique est ´evacu´e axialement. Les caract´eristiques obtenues `a l’aide d’une sonde de Langmuir plane positionn´ee `a diff´erents rayons de la colonne et `a mi-longueur permettent de d´eterminer les profils d’´equilibre des grandeurs caract´eristiques du plasma (voir figure 4.4). Ces profils sont donn´es par la figure 6.3 : concernant la densit´e ´electronique on observe d’abord un gradient radial important entre le centre et la p´eriph´erie qui indique un bon confinement du plasma dans la zone centrale et ensuite une faible niveau de fluctuations de densit´e ´electronique `a l’ombre du limiteur (δne/ne≈ 10 − 20 %), t´emoin que le plasma est relativement stable autour de ses compo-

santes d’´equilibre. La pr´esence d’un plasma de densit´e significative `a la p´eriph´erie indique qu’un transport transverse est manifeste, li´e sans doute `a la combinaison du faible champ magn´etique et des collisions ioniques. Deux autres facteurs peuvent ´egalement jouer un rˆole cl´e dans ce ph´enom`ene : le transport turbulent li´e aux fluctuations ainsi que le champ ´electrique radial. Comme le montre la figure 6.3-c, ce dernier est quasiment nul `a la pr´ecision de la mesure pr`es, alors qu’on pourrait s’attendre `a une chute de potentiel entre le plasma central positif et le bord `a la masse. Tout porte `a croire que cette chute de potentiel est confin´ee dans une zone tampon proche de la surface du cylindre - similaire `

a une gaine - o`u de forts effets de polarisation sont `a pr´evoir. Cette situation particuli`ere est tr`es certainement li´ee au probl`eme de la stabilit´e du fluide ionique en pr´esence d’un champ ´electrique centrifuge, que nous avons ´etudi´ee section 5.3.2 : comme nous l’avons vu il suffit d’un champ ´electrique centrifuge mˆeme minime - surtout `a champ magn´etique faible - pour induire un flux radial ionique tr`es important. Dans ce contexte il n’est pas ´

ment la n´ecessit´e pour le plasma de limiter la fuite radiale des ions.

Les deux derniers param`etres d´etermin´es par les caract´eristiques de sonde sont la temp´erature ´electronique (figure 4.4-b) et la densit´e de primaires (figure 4.4-d)2 _{: la}

premi`ere semble chuter de moiti´e environ `a l’ombre du limiteur3 tandis que la deuxi`eme montre que les primaires sont quasi-inexistant dans cette zone.

Figure 6.3 – Plasma stable en collecteurs axiaux `a la masse. Profil radial de a) densit´e ´electronique, b) temp´erature ´electronique, c) Potentiel plasma, d) taux de primaire nep/ne : en rouge

pour les maxima de densit´e, en bleu pour les minima. Ces trois derni`eres caract´eristiques ne varient pas sensiblement dans le plasma relativement stable.

Observons maintenant les mˆemes profils dans la situation de collecteurs axiaux flot- tant, visibles sur la figure 6.4. Il apparaˆıt que la densit´e ´electronique pr´esente cette fois une tr`es forte modulation d’amplitude (δne/ne ≈ 100 %) caus´ee par la pr´esence d’un

mode r´egulier l = 1 que nous allons ´etudier plus en d´etail dans les prochaines sections. Du point de vue ph´enom´enologique on constate que la densit´e des minima d´ecroˆıt for- tement `a la fronti`ere avec la r´egion `a l’ombre du limiteur avant d’atteindre des valeurs non-mesurables : il y a donc un vide relatif entre le passage des maxima. Par contre les sur- densit´es se manifestent comme des bouff´ees de plasma de densit´e l´eg`erement d´ecroissante

2. obtenue en estimant la pente de la caract´eristique aux potentiels tr`es n´egatifs

3. attention toutefois, il n’est pas impossible que la pr´esence des primaires au centre contribue `a fausser la mesure de la temp´erature ´electronique en l’exag´erant

pr´esentes tout le long du rayon de la colonne.

La temp´erature ´electronique mesur´ee est d’environ 4 eV et reste sensiblement constante dans le plasma central. Derri`ere le limiteur elle n’est plus mesurable dans le vide, par contre on observe dans les surdensit´es une temp´erature qui d´ecroˆıt faiblement jusqu’`a environ 2,5 eV4_.

Le potentiel plasma repr´esent´e sur la figure 6.4-c) est proche dans la partie centrale pour les maxima et les minima : la tendance correspond `a la pr´esence d’un champ cen- trip`ete lin´eairement croissant Er ≈ −800r V (avec r en m). A l’ombre du limiteur la

caract´eristique des surdensit´es montre la pr´esence d’un champ ´electrique `a peu pr`es com- parable. Cette estimation permet de supposer qu’il r`egne dans la zone tampon entre le vide et la bande de plasma un champ ´electrique qui donne lieu `a une d´erive ´electrique azimutale ΩE = −Er/(rB) ≈ 53.103rad/s (8,5 kHz) dans le sens direct.

Pour ce qui concerne enfin les ´electrons primaires on observe l`a encore leur quasi- disparition `a l’ombre du limiteur, ce qui semble indiquer qu’ils sont bien confin´es dans la zone centrale, point qui sera discut´e plus bas.

Figure 6.4 – Plasma instable en collecteurs axiaux flottants. Profil radial de a) densit´e ´electronique, b) temp´erature ´electronique, c) Potentiel plasma, d) taux de primaire nep/ne : en rouge

pour les maxima de densit´e, en bleu pour les minima. Au del`a du limiteur (r > 4 cm) la densit´e des minima est trop faible pour permettre une caract´erisation fiable.