HAL Id: jpa-00214680
https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00214680
Submitted on 1 Jan 1971
HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.
L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.
MESURE DE LA TEMPERATURE PAR SPECTROSCOPIE UV D’UN PLASMA EN
EVOLUTION RAPIDE
A. Bernard, P. Genta, A. Jolas, J. Watteau
To cite this version:
A. Bernard, P. Genta, A. Jolas, J. Watteau. MESURE DE LA TEMPERATURE PAR SPECTRO- SCOPIE UV D’UN PLASMA EN EVOLUTION RAPIDE. Journal de Physique Colloques, 1971, 32 (C5), pp.C5b-148-C5b-150. �10.1051/jphyscol:19715106�. �jpa-00214680�
MESURE DE LA TEMPERATURE PAR SPEVPROSCOPIE w D'UN PLASMA EN WOLUTION RAPIDE A. Bernard, P. Genta, A. Jolas, J.P. Watteau
Connnissariat 1'Energie Atomique, Centre dfEtudes de Limeil B.P. ne 27, 94
-
Villeneuve-Saint-GeorgesRésumé
La mesure des intensités de deux raies d'ions successifs (F VI et F V I I ) permet de déterminer la température électronique d'un plasma en évolution rapide.
Abstract
The electron temperature of a fast changing plasma can be derived from the relative line intensities of successive ions (F VI and F VII).
La détermination de la température 6lec- tronique d'un plasma de deutérium est effectuée en analysant son rayonnement lumineux. Celui-ci est émis par le deutérium mais également par toutes les impuretés telles que oxygène. azote, carbone, qu'il n'est pas possible d'éliminer ou de contrbler en- tiérement. La mesure de la température partir du rayonnement continu n' ktant donc pas souhaitable, nous avons choisi la méthode du rapport des inten- sités de deux raies. Aux températures atteintes par le plasma le deutkrium est compl&tement ionisé.
Les raies étudiées sont celles d'un élément ajouté au deutérium en quantitd connue.
Le plasma est créé dans une enceinte en verre, de rkvoïution, remplie de deutkrium B la pression de 1 Torr, par la dkcharge d'un banc de condensateurs rapide (Fig. 1 ). Le régime étudié
'ri Fig. 1
ici correspond ?un courant de i 9 0 kA atteint en 7 b s pour une énergie de 12 W sous 83 kV. A l'instant de fermeture du circuit électrique le
claquage se produit le long du verre, dont le pro- fil donne la position initiale de la nappe du cou- rant. Sous l'action des forces électromagnétiques le plasma est chauffé et rassemblé sur l'axe. On Btudie ici la température électronique Te du plasma au centre de la chambre.
L'analyse spectrographique montre que la majeure partie du rayonnement est émis dans l'ultra- violet sous vide. Pour qu'il ne soit pas absorbe il faut en effet que le vide soit réalisé depuis ,le plasma jusqu'au détecteur. ~'appereil utilisé est un spectrographe-monochromateur Beaudouin type MSVR 40 kquipd d'un réseau de 2400 traits par milli-
O
m&tre rev&u de platine et blazé h 1000 A. L'inten- sité du signal est mesurée par un photomüitiplica- teur 56 A W aprés conversion de fréquence sur du salycilate de sodium. emploi d'un tel appareil a présenté des difficultés propres B notre expérience.
En effet le milieu de la colonne de plasma
-
etdonc le hublot de raccordement h l'expérience
-
oscille B des potentiels de plusieurs dizaines de kilovolts. Trois solutions ont été essayées. Dans les deux premieres an a cherché h isoler le photc- multiplicateur, l'isolement ayant lieu soit au niveau de la fente d'entrée, soit au niveau de la fente de sortie du monochromateur. Dans ces deux cas des claquages se produisaient, qui créaient des signaux lumineux parssites de grande amplitude. La solution retenue, qui donne entiére satisfaction est schématisée sur la figure 1. L'ensemble de la chaîne de détection (monochromateur, photomulti- plicateur, cables, cage de Faraday avec l'oscillo- graphe de mesure) est porté Bïectriquement au m&e potentiel que le hublot d'observatian, taus les dquipements B t a n t alms reLibs au seoteur pas
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:19715106
TEMPERATURE D'UN PLASMA EN EVOLUTION RAPIDE
l'intermédiaire de transformateurs d'isolement. Une autre dffficulté est causée par 1' arrachement de particules des électrodes ou de la paroi de verre et l'obstruction plus ou moins complkte de la fente d'entrée. Comme l'appareil utilisé ne permet pas d'effectuer la mesure en une seule décharge il faut qu'après chaque tir la fente d'entrée soit w f a i - tement nettoyée. Dans ce but une modification a été faite au spectrographe : une buse mobile, B l'intérieur de l'enceinte, au voisinage de la fente d'entrée, est reliée à une bouteille d'hydrogène sous pression par une électrovanne. En position basse cette buse permet de nettoyer la fente en n'utilisant qu'une quantité limitée de gaz, ce qui diminue le temps de repompage.
Pour que le rapport des intensités de 2 raies soit une fonction sensible de la température électronique il faut que l'écart énergétique entre les niveaux supérieurs des 2 raies soit nettement plus grand que k Te (k constante de Boltzmann).
Nous voulions d'autre part utiliser le meme appa- reil à des longueurs d'onde aussi voisines que pos- sible pour minimiser l'importance de l'étalonnage.
Ceci nous a conduits ti choisiroleS 2 raies suivantes du fluor : F VI (~s2p "PO - pp2 'D) B
1 1 3 9
a
et F VIT (2s 2~-
2p 2~03,2) B ~ 8 3a.
Lecouple de raies correspondantes des ions isoéleo- troniques W et OVI a également été employé. Nous avons néanmoins trouvé que l'hexafluorure de soufre ne s'adsorbait pas sur les parois et que son emploi comme gaz traceur était beaucoup plus fiable.
Cette teneur doit &re suffisamment fai- ble pour éviter la réabsorption du rayonnement. La valeur limite a été obtenue expérimentalement en portant l'intensité maximum de la raie F VI1 en fonction de la concentration en hexafluorure de soufre. On a choisi une pression partielle de 4 x 10-5 Torr, ce qui est très faible devant la pression totale (1 ~orr).
INTHiPRETATION DES RESULTATS
Le rapport R des intensités mesurées des raies F VI et F VI1 s'écrit pour un plasma optlque- ment mince :
R = [NT. A;:
.R;;
. tq9;j,44;.A:; .
~9:. I<(J,:I]NF', NF
sont les densités des niveaux excités 12p 2 O P 3,2, FVI 2p2 ID (~ig. 2). Les 2 raies étudiées issues de ces niveaux. ont pour fréquen- ces 4Ef,dg et pour probabilités de transition Al2 VI1 ,
A% .
K est le facteur de transmission de la chafne &i dépend de la fréquence.1 II 1
Fig. 2
L'état du plasma n'intervient que par le
/ *-
rapport N~'I/N"' que l'on eut écrire sous la f rme
F~/N:]
=~NI;/N'I.
[N~NV)[N:~/NY~'en appelant NVI1, N~ les densités totales des ions F~', Fm. Eh fait seuls les niveaux d'éner- gie les plus faibles ont des densités qui ne sont pas négligeables. On se limite ici aux niveaux repkrés sur la figure 2, en écrivant
O n a finalement :
Comparons maintenant les paramètres sui- vants : tee durée d'équipartition des électrons entre eux (-- 1 0-l2 s) ;
rm
durée nocessaire pour qu'un régime d'équilibre soit atteint entre les densités du fondamental de FVI et de ses pre- miers niveaux excités (- 5. IO-^ s) ;T m 1 1 définition analogue ; Sc durée caractéristique d'évolution du plasma (h 50 ns)
a %VI, F m 1 durée nécessaire pour qu'un régime d'équilibre soit atteint entre les densités des ions FVI et PVII
( 3 5 0 ns).
On a entre les paramètres précédents les inégalités suivantes :
( 2 ) ~ e e < TFVI
<
7-c et r e e<
~ F V I I<
Cc,qui expriment qu'il existe B tout instant une
A . BERNARD ET AL.
température électronique et un état stationnaire Les ooefflaients radiativo-collisionnels entre les densités du fondamental et les premiers S (ionisatirm) et (recombinaison) font interne- niveaux excités pour chacun des ions FVI et FVII nir les densités des ions dans les diff6rent.s ni-
v a u x excités. On a pris les expressions de Oriem (3) t, (
cm,mI
c'est-&-dire que l'évolution47.
du plasma est trop rapide pour qu'un ~égime station- Pour un couple donné de fonctionrr Ne(t), naire soit possible entre les densités des deux ions. Te(t), on deduit du 8ysGme des 6quationa (1) et (4)
700 800 900
t ( n s l
Fig. 3
On déduit des inégalités (2) que les deux une fonction ~ ( t ) calculée. En pratique on modlf le premiers facteurs de 1' 6quation (1 ) sont des f onc- la f onction Te(t) par approximations successives tions de Ne (densité électronique) et Ter & l'ins- pour que ~ ( t ) passe par les points ~xpérimentaux.
tant considéré. Ils sont caïcuï6s en tenant compte La courbe @herche8 est représentae sur la figure 3.
des excitations par collis$ons et des désexcita- tions par-aoïlisions et par rayonnement. L'inégalité
(3) implique au contraire pour déterminer le rap- port NVII/NVI la résolution du systbme d'équations différentielles suivant (4) :
v V VI V I
d ~ l t =-N
NIS
+ N NINCette m6thode de mesure est trbs sensible, En effet pour k ~ '
-
1.1 kTe, R' est supérieur A 2 R.En revanche, R variant peu avec Ne, nous avons utilisé une courbe ~,(t) fournie par un modele MHD M. Ilreste A étudier l'influence des coefficients S , K . Les expressions employée8 supposent que les ni-reaux autres que le fondamental sont hydrog6noXdes. Les pp'obabilit6s de transiticai de FVI, en cours de cal- cul, seront introduites pour améliorer la mesure.
BIBLIOGRAPHIE
