EXPÉRIENCES DE PROPAGATION D'ONDES ET D'INTERACTION AVEC UN FAISCEAU ÉLECTRONIQUE DANS UNE COLONNE DE PLASMA

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Submitted on 1 Jan 1968

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EXPÉRIENCES DE PROPAGATION D’ONDES ET D’INTERACTION AVEC UN FAISCEAU

ÉLECTRONIQUE DANS UNE COLONNE DE PLASMA

M. Weinfeld, A. Bouchoule

To cite this version:

M. Weinfeld, A. Bouchoule. EXPÉRIENCES DE PROPAGATION D’ONDES ET D’INTERACTION AVEC UN FAISCEAU ÉLECTRONIQUE DANS UNE COLONNE DE PLASMA. Journal de Physique Colloques, 1968, 29 (C3), pp.C3-201-C3-203. �10.1051/jphyscol:1968352�. �jpa-00213591�

JOURNAL DE PHYSIQUE Colloque C 3, supplément au no 4, Tome 29, Avril 1968, page C 3

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EXPÉRIENCES DE PROPAGATION D'ONDES ET D'INTERACTION AVEC UN FAISCEAU ÉLECTRONIQUE DANS UNE COLONNE DE PLASMA

par M. WEINFELD et A. BOUCHOULE

Institut d'électronique fondamentale, Laboratoire Associé au C. N. R. S.

Faculté des Sciences, Orsay (France)

Résumé. - Des expériences de propagation d'ondes le long d'une colonne de plasma confinée par un champ magnétique, ont permis de tracer la courbe de dispersion de la bande basse (ondes lentes à une fréquence inférieure ^à la fréquence plasma) et de mettre en évidence une bande étroite de propagation au voisinage de la fréquence cyclotron.

D'autre part, l'interaction avec un faisceau d'électrons montre une amplification du signal injecté dans la région de la bande basse.

Abstract. - Experiments of wave propagation along a plasma column confined by a magnetic field have allowed us to plot the dispersion curve of the lower mode (slow waves, at a frequency below plasma frequency) and to observe a narrow propagation band dose to the cycIotron frequency.

Furthermore, the interaction with an electron beam shows an amplification of the input signal, in the region of the lower plasma mode.

1. Dispositif expérimental. - 11 a été plus particu- lièrement décrit dans la référence 111.

La colonne de plasma de néon est confinée par un champ magnétique longitudinal d'une valeur maximale de 3,5 kG. Le profil de densité radiale a une forme qui dépend des conditions expérimentales ; typique- ment, à faible pression de neutres dans l'enceinte (2 x torr), c'est un profil en cloche, d'autant plus aigu que le champ magnétique est plus fort ; à des pressions de neutres plus élevées à torr) c'est un pic simple à faible champ magnétique, qui se dédouble à champ plus f o r t ; à ce moment, la colonne est en quelque sorte creuse. Dans les résultats présentés ci-dessus, la fréquence plasma est une valeur moyenne, mesurée par le glissement de fréquence du mode TMolo d'une cavité cylindrique.

D'autres expériences ont montré que les électrons de la colonne ont une vitesse d'ensemble, dirigée de la source vers le collecteur, équivalente à quelques dizaines d'électron-volts. C'est pourquoi les expé- riences de propagation sont effectuées dans le sens collecteur-source, pour éliminer un effet de faisceau indésirable qui apparaît dans Vautre sens.

On trouvera dans la référence [2] des détails supplé- mentaires sur les profils de densité et les analyses de vitesses électroniques longitudinales.

2. Expérience de propagation.

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EXP~RIMENTAL. -- Les ondes sont excitées dans le plas- ma par deux moyens différents : soit à l'aide d'une hélice simple, soit à l'aide d'une petite sonde radiale, placée à l'intérieur d'un guide circulaire en dessous de la coupure. On réduit, par ce dernier moyen, le couplage direct de l'antenne d'émission avec la sonde réceptrice, qui est mobile le long de l'axe de la colonne.

Le signal reçu sur la sonde réceptrice est injecté directement sur le récepteur UHF, ou bien peut être mélangé avec un signal de référence issu du générateur UHF, ce qui permet de faire des mesures de phase, pour une onde progressive, le long de la colonne.

En réalité, le taux d'ondes stationnaires n'est jamais nul ; les résultats expérimentaux, qui donnent l'am- plitude et/ou la phase de l'onde, enregistrées en fonc- tion de l'abscisse de la sonde réceptrice, sont ainsi parfois malaisés à interpréter.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1968352

C 3

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La figure 1 montre deux courbes expérimentales obte-

fi"""

nues essentiellement par la méthode de mesure de phase ; on reconnaît la branche électronique lente d'ordre zéro, en accord avec la théorie [3, 4, 5, 61.

Il a été impossible de s'approcher plus près de l'asym- ptote à la fréquence plasma électronique, les enregis- trements devenant inexploitables à cause du bruit.

Nous pensons que cet effet est dû essentiellement à I'inhomogénie radiale de la colonne, les couches ex- ternes à faible densité entrant en résonance avant la partie centrale.

Au voisinage de l'origine, la pente des caractéris- tiques est de l'ordre de 445, en accord avec les calculs effectués dans les références [4] et 161.

2.3 R~SULTATS EXPÉRIMENTAUX : PROPAGATION AU VOISINAGE DE LA FRÉQUENCE CYCLOTRON ÉLECTRONIQUE.

-Nous avons tenté de mettre en évidence la branche supérieure du diagramme de dispersion située entre la fréquence cyclotron électronique et la fréquence hybride. Les ondes ont théoriquement une vitesse de groupe négative, très faible dans nos conditions expé- rimentales.

Jusqu'à présent, tous nos efforts pour obtenir la courbe de dispersion recherchée, en utilisant les mêmes techniques expérimentales que pour la bande basse, ont échoué.

Néanmoins, nous avons fait des expériences de transmission, c'est-à-dire des mesures d'absorption de puissance HF entre les sondes émettrice et récep- trice, fixes l'une par rapport à l'autre ; tous les para- mètres sont constants, à l'exception du champ magné- tique, qui est balayé au voisinage de la fréquence cyclo- tron. La figure 2 montre des enregistrements de la

puissance HF transmise en fonction du champ magné- tique. Les courbes montrent une absorption globale, mais le centre du pic est déformé par un pic de trans-

NIVEAU HF (unité arbitraire)

1 ^{f ' -}

i

t

Fc = 5 0 0

MHz

10 G

-

mission ; la largeur de ces pics croît quand on aug- mente la densité du plasma.

Dans toute la bande il y a une perte de transmission par rapport à la transmission en dehors de la bande ; cependant à des fréquences plus élevées, le pic de transmission devient suffisamment haut pour que se manifeste nettement une bande passante de propaga- tion, c'est-à-dire un gain de transmission positif.

comme on peut le voir sur la figure 3.

NIVEAU HF 4 (unité arbitraire)

TRANSMISSION ABSORPTION

EXPÉRIENCES DE PROPAGATION D'ONDES C 3

-

A l'heure actuelle, ces derniers résultats ne sont pas suffisamment complets pour les comparer aux conclu- sions théoriques. Notamment, il ne nous est pas possi- ble de situer avec suffisamment de précision la fré- quence cyclotron sur ces courbes., Cependant, il sem- ble bien qu'il y ait une bande de propagation au voi- sinage de la fréquence cyclotron. Nous tâchons d'amé- liorer les techniques de mesure pour pouvoir obtenir l'ensemble du diagramme de dispersion.

3. Interaction faisceau-plasma. - Nous avons cons- truit un canon à électrons à trois électrodes, foca- lisé par le champ magnétique, qui donne un faisceau de 5 mm de diamètre, avec une micropervéance de 0,2 MKS. Ce canon est placé derrière le collecteur, percé en son centre.

Le dispositif expérimental reste d'autre part tout à fait identique à celui qui est utilisé pour la propagation sans faisceau. La sonde émettrice module alors le faisceau.

La figure 4 montre des enregistrements de la puis- sance HF en fonction de l'abscisse. Il y a, dans ce cas, amplification le long de la colonne.

,20 DIRECTION DU FAISCEAU-

F=65 MHz

1 , '

-

10 20 30 40 50

ABSCISSE DE LA SONDE Icm)

La longueur d'onde de l'onde stationnaire qui apparaît en bout de colonne correspond bien aux points expérimentaux des courbes de dispersion de la figure 1, ce qui montre qu'il y a effectivement interac- tion du mode lent de charge d'espace du faisceau avec le mode plasma de la colonne.

La figure 5 représente le gain du système plasma-

faisceau en fonction de la vitesse du faisceau d'élec- trons. Ce gain est mesuré au-dessus du niveau de transmission en dehors de la bande où il y a amplifi- cation ; il est relatif à une longueur d'interaction de 0,5 m.

On remarque que le maximum de gain correspond à une vitesse croissante du faisceau quand la fréquence décroît, ce qui est conforme à la théorie.

VITESSE DU FAISCEAU .UX

lo6m)

FIG. 5.

Bibliographie

[l] WEINPELD (M.), 7e Conf. Int. sur les Phénomènes d'Ionisation dans les gaz, Belgrade, 1965, p. 434.

[2] TROUVE (G.), Diplôme dYEtudes Supérieures, Orsay, 1966.

[3] TRIVELPIECE (A. W.), GOULD (R. W.), J. Appl. Physics, 1959, 30, 11.

[4] CAMUS (M.), . ~ a ~ p o r t C. N. E. T., PDT, Déc. 1962.

[5] BLIMAN (S.), Thèse, Orsay 1966.

[6] BLIMAN (S.), BOUCHOULE (A.), J. Appl. Physics (à paraître).