HAL Id: jpa-00214812
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Submitted on 1 Jan 1971
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PENETRATION ET TRAVERSEE D’UNE BARRIERE DE CHAMP MAGNETIQUE TRANSVERSE PAR UN
PLASMA PUREMENT IONIQUE
M. Baribaud, J.-M. Dolique, F. Zadworny
To cite this version:
M. Baribaud, J.-M. Dolique, F. Zadworny. PENETRATION ET TRAVERSEE D’UNE BARRIERE
DE CHAMP MAGNETIQUE TRANSVERSE PAR UN PLASMA PUREMENT IONIQUE. Jour-
nal de Physique Colloques, 1971, 32 (C5), pp.C5b-111-C5b-113. �10.1051/jphyscol:1971593�. �jpa-
00214812�
C5b-lll
PENETRATION E T TRAVERSEE D'UNE BAERIEKE DE CHAHP MAGNETIQUE TRAKSVERSE PAR UN PLASMA PUREMENT IONIQUE M. Baribaud, J.-M. Dolique, F. Zadworny
Université scientifique et. médicale de Grenoble. Laboratoire de physique des plasmas.
Equipe de recherche associée au C.N.R.S.
Résumé
On a étudié théoriquement et expérimentalement la pénétration et la traversée d'une barrière de champ magnétique transverse par un plasma purement ionique H
+, H~. Bien que la distribution du champ électrique permettant la traversée diffère profondément de ce qu'elle est dans un plasma ordinaire, on a retrouvé un champ critique. L'approche de ce champ a pu être étudiée. Phénomène inobservé sur les plasmas ordinaires : une fraction du plasma continue de traverser la barrière lorsque la hauteur de celle-ci excède le champ critique.
Abstract
Penetration and crossing of a barrier of transverse magnetic field by a purely ionic H
+, H~ plasma has been experimentally and theoretically studied. Although the electric field distribution which allows the crossing is deeply.different from what it is in an ordinary plasma, a critical fieLd was also found. The approach of this field has been studied. Phenomenon which is not observed on the ordinary pLasmas : a fraction of plas- ma crosses away the barrier when the height of this one exceeds the critical field.
La pénétration d'une barrière de champ magné- tique transverse par un faisceau de plasma ordinaire à petit B dynamique - pression dynamique (l/2)nmv
2sur pression magnétique B
2/2p
0- a été étudiée ex- périmentalement [1][2][3] et théoriquement [4][5]
dans des conditions où r
e« L « r ^ , r
eet r^ étant les rayons de Larmor électronique et ionique, L l'épaisseur de la barrière. Entre les ions prati- quement insensibles au champ magnétique et les élec- trons défléchis et donc freinés, un champ électri- que apparaît, purement axial si les effets de bord sont négligés (fig. 1).
PLASMA ORDINAIRE PLASMA PUREMENT IONIOUE IONS-ELECTRONS IONS POSITIFS-IONS NEGATIFS
Fig. ]
Il y a entraînement des électrons tant que pour une intensité donnée, le champ magnétique n'est pas trop fort ; plus précisément tant que co
c-<aùSp où u)
cet uv, sont les pulsations électroniques cyclotronique et de plasma respectivement, a un facteur voisin de 1 qui dépend de la température.
Les expériences n'avaient permis d'étudier ni l'approche du champ critique, ni l'influence des effets de bord et du profil de la barrière magné- tique. La grande mobilité des électrons, aisément
arrachés au faisceau par le champ magnétique, semble l'interdire.
Aussi était-il très tentant d'essayer de re- prendre ces études avec un plasma purement ionique où les porteurs des deux signes auraient même masse, tel qu'un plasma H
+, H~.
1 - DISPOSITIF EXPERIMENTAL
Issus d'une source reflex intense développée
précédemment au laboratoire [6], les ions H~ accé- lérés sont extraits du champ magnétique de la sour- ce et focalisés par une lentille unipotentielle sur une chambre de collisions. Ils y subissent sur les molécules d'un gaz neutre des réactions de détache- ment à un ou deux électrons (T 0/0' e 0 et T 0/1 2e 0) qui les transforment en H° et H
+(fig. 2 ) . Par un choix convenable de la pression de gaz neutre, on peut faire en sorte que le faisceau sortant con-
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1971593
M. BARIBAUD E T A L .
t i e n n e a u t a n t d e H+ que d e H-. Un f a i b l e champ é l e c - t r i q u e s u f f i s a n t à p i è g e r l e s é l e c t r o n s formés p a r d é t a c h e m e n t , o n a donc e n a v a l d e l a chambre d e c o l - l i s i o n un f a i s c e a u d e plasma purement i o n i q u e H+, H-, H o . Les Ho ne j o u e r o n t a u c u n r ô l e l o r s d e l a t r a v e r s é e . Des d i a p h r a g m e s e t d e s d i s p o s i t i f s d ' a - n a l y s e é l e c t r o s t a t i q u e du f a i s c e a u e n amont e t en a v a l d e l a b a r r i è r e d e champ magnétique c o m p l è t e n t c e t ensemble. A l ' e n t r é e d a n s l a b a r r i è r e , l e p l a s - ma a une v i t e s s e vo = 106m/s, un d i a m è t r e d e 2 cm.
Le c o u r a n t d ' i o n s H- ( é g a l à c e l u i d e s H + ) , q u i é t a i t d e p l u s i e u r s m i l l i a m p è r e s à l a s o r t i e d e l a s o u r c e , n ' e s t p l u s q u e d e q u e l q u e s d i z a i n e s d e m i - c r o a m p è r e s au maximum. La d e n s i t é e s t donc c o m p r i s e e n t r e 1012 e t 10' 3m-3. Cinq b a r r i è r e s o n t é t é oppo- s é e s a u f a i s c e a u , d e l a r g e u r s à mi-hauteur r e s p e c - t i v e s : 0 , 2 4 , 0 , 3 2 , 0 , 3 5 , 0 , 4 2 e t a,72 m. On l e s d é s i g n e r a c i - d e s s o u s p a r 1 , 2, 3 , 4 e t 5.
2 - RESULTATS EXPERIMENTAUX
Le c o u r a n t 1 = IH- = IH+ r e c u e i l l i s u r l e s c o l l e c t e u r s a p r è s t r a v e r s é e d e l a b a r r i è r e , a é t é mesuré, pour l e s c i n q b a r r i è r e s , e n f o n c t i o n de l a h a u t e u r B d e c e l l e s - c i . Les c o u r b e s I ( B ) p r é s e n t e n t t o u t e s l a même a l l u r e ( f i g . 3 ) . Deux champs c a r a c -
C H . ) . p H I U E ( E T ~ L-1
F i g . 3
t é r i s t i q u e s bo e t Bo d é l i m i t e n t t r o i s domaines.
S e n s i b l e m e n t c o n s t a n t pour B
(bo, 1 d 6 c r o î t r a p i - dement e n t r e bo e t Bo. Pour B > Bo, un f a i b l e cou- r a n t s u b s i s t e , q u i ne d é c r o î t que t r e s l e n t e m e n t .
La v i t e s s e vo r e s t a n t c o n s t a n t e , a i n s i que l e d i a m è t r e du f a i s c e a u - d é f i n i p a r l e s d i a p h r a g - mes - o n a f a i t v a r i e r l a d e n s i t é n en a g i s s a n t s u r l a f o c a l e d e l a l e n t i l l e u n i p o t e n t i e l l e . La c o u r b e I ( B ) g a r d e l a même forme, mais Bo v a r i e p r o p o r t i o n - n e l l e m e n t au c a r r é d e l a d e n s i t é ( f i g . 4 ) .
< r i A u 0 U I C > N E I I C X X llO.lF l U U 3 5 1
F i g . 4
S i g n a l o n s e n f i n que l a p r é s e n c e de conduc- t e u r s m é t a l l i q u e s a u v o i s i n a g e du f a i s c e a u ne p e r - t u r b e p a s s a t r a v e r s é e , c o n t r a i r e m e n t à c e q u i f u t o b s e r v é pour un plasma o r d i n a i r e . C ' e s t que l e champ é l e c t r i q u e i c i n ' e s t p l u s p r i n c i p a l e m e n t a x i a l m a i s t r a n s v e r s e ( f i g . 1 ) .
3 - DESCRIPTIONS THEORIQUES SANS EFFETS DE BORD
3.1 - B a r r i è r e à f r o n t r a i d e . Champ c r i t i q u e Les e f f e t s d e bord é t a n t d ' a b o r d n é g l i g é s , - l e plasma é t a n t donc c o n s i d é r é comme i n d é f i n i d a n s La d i r e c t i o n t r a n s v e r s e y - i l e s t c l a i r que l e champ de s é p a r a t i o n de c h a r g e e s t t r a n s v e r s e ( f i g . 1 ) . M o d i f i a n t s u r c e p o i n t l e s t h é o r i e s ' 4 1 ou C51, on t r o u v e e n c o r e c e p e n d a n t , pour une b a r - r i è r e à f r o n t r a i d e , e t e n n é g l i g e a n t l ' a g i t a t i o n t h e r m i q u e , q u ' i l y a t r a v e r s é e t a n t que iiic<wp,, où wc e t wpI d é s i g n e n t c e t t e f o i s l e s p u l s a t i o n s i o n i - q u e s . La dépendance du champ Bo e x p é r i m e n t a l c i - d e s s u s a v e c l a d e n s i t é (Bo p r o p o r t i o n n e l à g2) a i n -
s i que s o n o r d r e d e g r a n d e u r i n c l i n e à l ' i d e n t i f i e r a u champ c r i t i q u e Bc = (nm/c0) ' l 2 q u e donne wc = w ~ + _ ' L ' a c c o r d n ' e s t c e p e n d a n t que q u a l i t a t i f e t . de p l u s , on a vu q u ' e x p é r i m e n t a l e m e n t Bo ne c o r r e s p o n d p a s à l ' a r r ê t t o t a l du plasma que p r é v o i t c e t t e p r e - m i e r e t h é o r i e . Les c a u s e s du d é s a c c o r d p e u v e n t ê t r e c h e r c h é e s d ' u n e p a r t d a n s l e f a i t que l e f r o n t de l a b a r r i è r e n ' e s t p a s r a i d e , e t d ' a u t r e p a r t d a n s l e s e f f e t s d e b o r d .
3.2 - k f l u e n c e du p r o f i l d e l a b a r r i è r e Les p r o f i l s r é e l s d e s c i n q b a r r i è r e s é t u - d i é e s e x p 6 r i m e n t a l e m e n t o n t é t é i n t r o d u i t s d a n s un modèle numérique où l e champ é l e c t r i q u e t r a n s v e r s e e s t c e l u i (Ey - mw2+ ~ / e ) du modèle a n a l y t i q u e p r é -
P-
c é d e n t . Les r E s u l t a t s r e p r é s e n t é s e n p o i n t i l l é s u r
l a f i g u r e 3 s o n t a l o r s e n a s s e z bon a c c o r d
a v e c l e s c o u r b e s e x p é r i m e n t a l e s . A c e c i p r è s t o u t e -
f o i s que, comme d a n s l a t h é o r i e a n a l y t i q u e a v e c
f r o n t r a i d e , o n ne r e t r o u v e pas l e c o u r a n t s u p e r -
c r i t i q u e .
P E N E T R A T I O N ET T R A V E R S E D'UNE B A R R I E R E DE C H A M P M A G N E T I Q U E C5b- 1 13
4 - EFFETS DE BORD ET COLIRANT SUPERCRITIQUE Dans un faisceau réel, de dimension transverse finie, plusieurs effets apparaissent dont on n'a pas tenu compte jusqu'à présent, et qui permettent d'expliquer l'existence d'un courant supercritique.
L'épluchage d'abord (fig. 5a). Si, dans le coeur neutre (hachuré) du plasma, les ions voient bien un champ électrique en première approximation trans- verse et uniforme, les ions des bords chargés au contraire voient un champ rapidement décroissant quand on s'éloigne du plan de symétrie xoz. Ces par- ticules sont arrachées au faisceau par le champ ma- gnétique. Pour un faisceau continu, elles construi- sent ainsi (fig. 5b) un champ électrique transverse, pratiquement indépendant de B, qui vient s'ajouter au champ de séparation de charge proprement dit, et qui favorise donc la traversée.
a
Figure 5
pas carré. Il en résulte que le champ de séparation de charge transverse présente un maximum sur le plan de sy-tsétrie xoz et qu'il décroît de part et d'autre, même dans ce qu'on appelle plus haut le coeur neu- tre. La figure 6 représente Ey(y) pour un faisceau de plasma B prof il initialement gaussien [n(r) = no exp (-r2/r;)].~es ions proches du plan de symé- trie xoz, voient un champ électrique transverse plus intense que ceux qui en sont plus éloignés, et sont moins déviés. 11 en résulte une concentration vers xoz quiselle aussi. favorise la traversée
(fig. 7). On peut donc avancer l'interprétation
Figure '7
suivante de la traversée environ et par delà le champ critique. Le faisceau de plasma est progres- sivement épluché cependant que, sur l'axe, un dard se forme de plus en plus fin, de plus en plus dense et de moins en moins rapide.
Un effet de concentration ensuite. Le profil de
La description quantitative de cet effet densité dans le faisceau de plasma incident n'est
exige qu'on connaisse précisément la carte du champ
1 électrique compte tenu de l'épluchage et de la con-
" . ( Y I
centration. Aux faibles densités (IO' 2-10' 3m-3) de
" 1 " :
