Sonde de Mach

Il est courant d’observer dans un plasma magnétisé des dérives d’espèces. Ces dérives peuvent être dues à l’inhomogénéité du champ magnétique ~B ou à la présence de n’importe quelle force perpendiculaire à ~B interagissant avec une particule électriquement chargée. Celles-ci peuvent affecter le transport des électrons, des ions mais aussi des poussières. Il importe alors de mettre en évidence cette dérive.

• Généralités

Une sonde de Mach est un diagnostic électrostatique permettant de mettre en évidence des flux ioniques ou électroniques au sein d’un plasma. Elle se présente généralement sous la forme de deux électrodes parallèles dont les faces s’opposent. Un tel dispositif permet de déterminer le flux et, connaissant la densité, la vitesse de dérive d’une espèce du plasma à partir du ratio des courants collectés de part et d’autre. Au cours de ce travail de thèse, une sonde de Mach a été développée au LAPLACE.

• Conception de la sonde

Bien qu’en principe la conception d’une telle sonde semble simple, nous avons dû prendre en compte les particularités du plasma étudié. En effet, comme nous le verrons par la suite, lorsque l’on immerge une sonde de Langmuir dans notre plasma, la "tip" en tungstène (fil en tungstène) ainsi que le "porte-tip" en Macor ou en alumine peuvent chauffer au pointR

de devenir incandescents. Nous avons donc dû tenir compte des contraintes thermiques liées au plasma étudié lors de la conception de la sonde.

La sonde et sa structure sont présentées sur la figure 2.6. La structure principale est un substrat en alumine de 0,5mm d’épaisseur recouverte d’une couche de cuivre de 0,3 mm d’épaisseur (Curamik ). Les motifs de la sonde sont créés par gravure chimique. L’électrodeR

centrale utilisée pour la mesure est de 3 mm de côté, et l’électrode périphérique mesure 3 mm de largeur. La séparation entre les deux est de 1 mm. Pour assurer la connexion élec- trique de chaque électrode, nous avons dû percer l’alumine. Ce matériau étant difficilement usinable, cette opération a été effectuée par ablation laser. De cette façon nous évitons le décollement des électrodes. Afin de limiter l’effet des contraintes thermiques, nous avons évité les soudures à l’étain lors de l’assemblage de chaque partie. Celles-ci ont été rempla- cées par des billes en cuivre de 1 mm de diamètre, frittées avec une pâte d’argent (Heraeus, Magic Ag Sinter paste), suivi d’un recuit à 300◦C. En amont du frittage, les billes ainsi que toutes les parties de la sonde en contact avec elles, ont subi une métallisation à l’or. Ce procédé permet d’augmenter la mouillabilité du cuivre lorsque les billes et la pâte de frit- tage fondent. Enfin l’isolation électrique de la sonde est faite à l’aide d’une colle céramique

Fig. 2.6. Schéma de la sonde de flux où a) représente la face cachée de l’extérieur de la sonde, b) représente la partie centrale de la sonde, c) représente une coupe en diagonale de la sonde assemblée et d) est une photo de la sonde de Mach après assemblage.

bi-composants (Polyrec Ceramabond 571). Une fois sèche, elle assure une tenue méca-R

nique jusqu’à 1760◦C. Néanmoins, la formation de bulle lors de cette étape de séchage peut être problématique. En effet, la céramique peut se dilater au point de briser les soudures. Pour éviter cette contrainte, nous avons laissé sécher la céramique deux jours à température ambiante. Cependant, cela ne permet pas d’éviter totalement la formation de bulles. Cela peut poser un problème de dégazage lorsque la sonde est placée sous-vide. Nous conseillons à l’avenir d’utiliser une autre céramique pour éviter la gêne occasionnée.

• Mesure du courant ionique

Cette sonde est utilisée pour mesurer le flux ionique de part et d’autre de la sonde. Lors des mesures, celle-ci est polarisée à un potentiel très négatif par rapport au V_f. Cette précaution permet de ne collecter que des ions. Cependant, lorsque la tension de la sonde est très inférieure à V_f et à Vp il se produit une augmentation de la surface effective de collection

des ions à cause des effets de bord en périphérie de l’électrode centrale. Cela se traduit par un écart au courant de Bohm (dont nous verrons l’expression plus loin). Pour s’affranchir

de cet effet indésirable, l’électrode périphérique est utilisée comme anneau de garde. Cette anneau est polarisé indépendamment de l’électrode de mesure mais à une même tension que celle appliquée à ce dernier. De cette façon seulement nous pouvons respecter le critère de Bohm et obtenir un courant de saturation ionique constant. La figure 2.7 représente le schéma électrique servant à mesurer le courant ionique.

Fig. 2.7. Schéma électrique de la sonde de Mach pour la mesure du courant ionique. Un seul côté est représenté.

L’électrode de mesure est connectée à un ampèremètre, une résistance et à une alimen- tation en tension continue, le tout en série. La résistance R = 1kΩ permet d’éviter qu’un courant trop important atteigne l’alimentation. Classiquement, on mesure le courant net provenant du plasma en mesurant la chute de tension au borne de la résistance. Pour obte- nir une plus grande précision, nous avons directement branché un ampèremètre. La tension finalement appliquée sur l’électrode de mesure est Vapp = Valim– RIi à cause de la chute de

tension produite au travers de la résistance par le passage du courant I_i. La même tension Vapp est appliquée sur l’anneau de garde. La mesure de courant est effectuée sur chaque

face. Si un flux net de courant existe dans le plasma, alors un courant différent sera mesuré sur les deux faces de la sonde.

Les théories et sondes développées pour déduire la vitesse de dérive ionique en plasma magnétisé sont complexes. En effet, lorsque le plasma dérive, il se forme un sillage en aval de la sonde. La sonde perturbe alors le plasma et en modifie localement les paramètres. L’uti- lisation d’un tel diagnostic nécessite au préalable, une solide connaissance des paramètres du plasma afin de choisir une théorie adéquate. Dans le cas contraire, de fortes incertitudes sur la mesure de la vitesse de dérive apparaissent [38]. Cependant, une simple différence de courant de part et d’autre de la sonde permet de mettre en évidence une dérive. Face à la complexité du plasma étudié, nous ne chercherons donc pas à déterminer la vitesse de dérive, mais simplement à mettre en évidence l’existence d’une dérive.