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Submitted on 1 Jan 1971
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DETERMINATION DE LA FONCTION DE
DISTRIBUTION DE L’ENERGIE ELECTRONIQUE DANS DES COLONNES POSITIVES D’HELIUM ET
D’HELIUM-ARGON
P. Davy, P. Rabache
To cite this version:
P. Davy, P. Rabache. DETERMINATION DE LA FONCTION DE DISTRIBUTION DE L’ENERGIE ELECTRONIQUE DANS DES COLONNES POSITIVES D’HELIUM ET D’HELIUM-ARGON. Journal de Physique Colloques, 1971, 32 (C5), pp.C5b-162-C5b-164.
�10.1051/jphyscol:19715111�. �jpa-00214686�
DETERMINATION DE LA FONCTION DE DISTRIBUTION DE L'ENERGIE ELECTRONIQUE DANS DES COLONNES POSITIVES D'HELIUM ET D'HELIUM-ARGON
P. Davy P. Rabache
Laboratoire de Physique Electronique, Universite de Paris-Sud, Centre d'Orsay - 91
Résumé
Nous avons déterminé l a fonction de distribution de l'énergie électronique dans des colonnes positives d'hélium et d'hélium-argon. Dans l'hélium, entre 0, 06 et 0, 3 t o r r , pour des courants variant entre 25 e t 400 mA, l a FDE s'écarte de l a distribution de Max -
well aux énergies élevées ; dans l e s mélanges, l a FDE e s t fortement modifiée aux énergies élevées. L e s résultats sont comparés à des prévisions de Postma.
Abstract
~ l e c t r o n s e r ~ ~ distribution functions (EDF) have been determined in helium, and helium-argon positiv columns. Between q 06 and q 3 t o r r , for c u r r e n t s varying between 25 and 400mA, the EDF in helium i s a Maxwell one with a lack of f a s t electrons; in mixtures, the EDF i s strongly modified, especially for high energy. Our r e s u l t s a r e compared with Postma calculationsl.
L a mesure de l a dérivée seconde du courant st8ccro12.. Pour une même pression, une augmen- recueilli par une sonde de Langmuir en fonction de tation du courant de décharge réduit ce déficit s a polarisation par rapport au plasma conduit à l a d'électrons rapides (fig.2).
détermination de la fonction de distribution F(U) de Ces résultats peuvent s'interpréter qualita- l'énergie électronique (FDE). Nous avons utilisé ce tivement; pour une pression donnée l e s collisions principe C l ] pour obtenir des FDE dans des plas- inélastiques electrons-atomes (avec création d'a-
calmes de colonnes positives. Les m e s u r e s sont tomes excités et ionisés) diminuent l e nombre effectuées à l'aide de colonnes de diamètre 2R = d'électrons d'énergie élevée (U > V ex ); une aug- 52mm pour d e s pressions p comprises entre 0,06 mentation du courant de décharge entraûie une et 0'3 t o r r e t des courants variant e n t r e 25 et400 augmentation correspondante de l a densité élec- mA, dans de l'hélium et des mélanges hélium-ar- tronique, donc une augmentation du nombre de gon et hélium-néon (concentrations relatives : 2 e t collisions coulombiennes, ce qui conduit à de plus 5%). Le champ électrique longitudinal E et l a con- nombreux échanges d'énergie e n t r e électrons e t centration d'atomes excités (niveau 2 S) sont éga- 3 fait donc tendre leur FDE v e r s l a maxwellienne.
lement mesurés. Postma 123 a étudié c e s questions: s e s prévisions 1 - P l a s m a d'hélium sont comparées (fig. 1) aux résultats expérimen-
Pour l e s conditions expérimentales étudiées, taux. La me sure effectuée pour E/P = 8 V/torr-cm 1e"corps" de l a EDE (O < U < V ) e s t maxweilien se compare convenablement avec l e résultat du
ex
tandis que l a queue accuse un déficit en électrons calcul effectué pour E l p = 10 V / t o r r - c m : il n'en rapides, qui dépend des conditions expérimentales e s t pas de même des m e s u r e s correspondant à (fig.. 1 et 2). Pour un même courant (lOOmA), l a fi- E / p = 26 V/torr-cm, qui ne s e placent pas entre gure 1 montre l'influence de l a pression sur l'allu- l e s courbes calculées pour E / p = 20 et 30 V/torr-cm.
Te de l a FDE : on vérifie bien que l a température A ce point on doit f a i r e une remarque : Mewe C31 électronique (donnée par l a pente du"corps" de l a a calculé pour des colonnes positives d'hélium l e FDE) diminue quand l a pression augmente e t l'on rapport E l p en fonction du produit R.p en utilisari remarque qu'alors l e déficit en électrons rapides l e s FDE calculées par Postma; il a pu ainsi rendre
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:19715111
FONCTION DE DISTRIBUTION DANS DES COLONNES POSITfVES D'HELIUM
0,2 torr Elp= bV/torr-cm 406 t o r r E/P = 26
F I G - I FDE + \ ,
IO-3
-mesurccs ( P I ) + \ O
\
I
Vex +\,IO 2'0 3b b (voitsi
compte de manière t r è s convaincante des résultats expérimentaux, sauf pour l e s basses valeurs de Rp (fortes valeurs de E/p); dans ce domaine Mewe doit tenir compte d'écarts à l a quasi-neutralité pour f a i r e de nouveau coïncider mesures e t prévisions : l e champ électrique réduit, pour Rp constant aug- mente quand R diminue. Postma a a u s s i déterminé l a concentration électronique critique pour laquene l e s échanges d'énergie dus au collisions coulombiei nes deviennent plus importants que l e s échanges d'énergie dus aux collisions électrons-atomes : n e c r g / n = I O - ~ ( E / ~ ) ~ . Dans cette expression n g e s t l a densité du gaz et E l p e s t exprimé en V l t o r r - cm a l o r s necr
/"g
a 2 , 5 . 1 0 - ~ ; pour 50 < I < 4 0 0 mA
-7 - 6
nous avons mesuré 2,5 10 < ne/n g < 2 10
.
D'a-p r è s cette évaluation, pour cette pression, de me- me que pour l a gamme de pressions utilisée. cet effet ne devrait pas Btre sensible. Une augmenta- tion du courant entraihe a u s s i une augmentation de l a concentration d'atomes excités, ce qui entralhe de nombreuses collisions électron-atomes excités de seuil faible. D'après Postma [41 l'influence du niveau 2 S e s t l a plus importante c a r s a concentra- 3
p=O,l t o r r , HI?
\
vcx '
\
\
10 20 30 U(volh1 9 tion e s t l a plus élevée et l e s sections efficaces d'excitation à partir de ce niveau sont l e s plus éle- vées : l a forme de l a F D E e s t a l o r s modifiée dans son ensemble, cet effet peut s e f a i r e sentir pour des pressions de l'ordre de 0.2.torr où nk2SS =
2,7 10 cm-3 pour 11 1 = 400mA; Postma montre que pour E / p = 10 V/torr-cm, une concentration n*23S =
4,7 l o l modifie sensiblement l'allure de l a FDE.
2 - P l a s m a d'hélium-argon et d'hélium-néon Dans l e s mêmes conditions expérimentales, d e s m e s u r e s ont été effectuées dans de l'hélium contenant 2% puis 5% d'argon, puis de néon. Dans l e cas du mélange hélium-argon, pour des valeurs
"&levées" de E l p (fig. 3), l e s FDE présentent des
"accidents" au voisinnage des énergies d'excitation de l'argon et de l'hélium, e t d'ionisation de l'argon;
comme on peut s'y attendre l a queue de l a fonction décroit d'autant plus rapidement que l e taux d'im- pureté e s t élevé. Pour des valeurs "faibles" du rap- port E / P (fig.4) l'allure des FDE e s t plus régulière, l e s résultats obtenus sont comparés à des prévi -
sions effectuées par Postma L z ] ; compte tenu des é c a r t s entre quelques paramètres théoriques et
P. DAVY ET R. RABACHE
, .
, Hc+S%Ar
I I
O - F I G - 3 FDE ' \
p= 0,l torr
pz 0,08 torr
10 20 30 U(vdh)
expérimentaux, l'accord peut & t r e considéré corn:- me satisfaisant. Pour ce mélange l a densité élec- tronique (pour E / p = 16 V/torr-cm) e s t multipliée par rapport à l'hélium pur par 1.7 e t 2.1 pour l e s deux concentrations utilisées; pour E l p =IO, l e s facteurs sont 2 e t 2,5.
Des résultats différents sont obtenus pour l e c a s d e s mélanges hélium-néon. Pour E / p =+ 16 il apparait, à p a r t i r du p r e m i e r potentiel d'excita- tion du néon, un plus grand nombre d'électrons par rapport au c a s de l'hélium pur, cet effet croit a- vec l a concentration (5%) de néon. Pour E / p
-
8V/torr-cm l'effet e s t différent : on a s s i s t e d'abord à une décroissance (2%) de néon) du nombre d'é- lectrons rapides p a r rapport a u cas de l'hélium.
ensuite à une croissance (5% de Né); d'ailleurs l a concentration d'atomes excités varie de manière opposée (augmentation, puis diminution pour at- teindre (5% de néon) sensiblement l a m&me valeur qu'en l'absence d'impuretés).
F I G - 4 F D E
- m e a u r k (traits
pz02 torr ; 1=100rn~;E/pz8 -calcul;cs ( traits fins) E / ~ Z ~
- -Hc+lO%Ar
,,,Hc+2%Ar ,.Hc+S%Ar *
(volts) néon. Les m e s u r e s effectuées se comparent de manière convenable, pour de faibles valeurs du paramètre E / p (< 10 V/torr-cm), aux prévisions de Postma : par contre pour d e s v d e u r s élevées de ce paramètre (Elp' 20) l'accord e s t moins bon, dans ces conditions il faudrait sans doute d'une- part tenir compte de l a géométrie finie du plasma, et d'autre part évaluer, particulièrement pour l e s mélanges, l'influence des effets cumula- tif s.
BIBLIOGRAPHIE
[ I l P. RABACHE Thèse d'Ingénieur-docteur Orsay (1971) CNRS A 0 5623
C21 A. J. POSTMA Physica ( 1 9 6 9 ) c 581-599 [3] R. MEWE (1969) Rijnhuizen Report 69-50 L41 A. J. POSTMA Physica (1970) 4 5 609-618
3 - Conclusions : Nous avons donc déterminé l a FDE dans d e s colonnes positives fonctionnant dans l'hélium et des mélanges hélium-argon et hélium-
