ANALYSE EN MASSES D'UN FAISCEAU D'IONS HYDROGÈNE EXTRAIT D'UNE SOURCE DU TYPE "DUOPLASMATRON"

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HAL Id: jpa-00213561

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Submitted on 1 Jan 1968

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ANALYSE EN MASSES D’UN FAISCEAU D’IONS HYDROGÈNE EXTRAIT D’UNE SOURCE DU TYPE

”DUOPLASMATRON”

C. Valot

To cite this version:

C. Valot. ANALYSE EN MASSES D’UN FAISCEAU D’IONS HYDROGÈNE EXTRAIT D’UNE

SOURCE DU TYPE ”DUOPLASMATRON”. Journal de Physique Colloques, 1968, 29 (C3), pp.C3-

93-C3-95. �10.1051/jphyscol:1968323�. �jpa-00213561�

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JOURNAL DE PHYSIQUE

Colloque C 3, suppliment au no 4, Tome 29, avril 1968, page C 3-93

ANALYSE EN MASSES D'UN FAISCEAU D'IONS HYDROGÈNE EXTRAIT D'UNE SOURCE DU TYPE « DUOPLASMATRON »

par C. VALOT

Institut d'Electronique Fondamentale, Laboratoire Associé au C . N. R. S.

Faculté des Sciences, Bât. 220, 91-Orsay, France

Résume. - La composition du faisceau d'ions hydrogène extrait d'une source d'ions

cc

duoplas- matron

⁾⁾

dépend des paramètres de la décharge.

Les conditions optimales de formation des différents ions permettent de dégager l'impor- tance relative des réactions responsables de l'ionisation.

Abstract. -

The ion composition of the beam extracted from a

⁽⁽

duoplasmatron

»

ion source working in hydrogen depends on electrical and magnetic parameters of the discharge.

Optimum conditions for the formation of different ions are studied and mechanisms of ion production are also considered.

1. Introduction.

-

La source duoplasmatron s'est révélée particulièrement adaptée

à

la production de protons. En effet, iin choix convenable des para- mètres de réglage de la source permet d'obtenir un faisceau intense d'ions contenant,

à

côté des ions moléculaires H : et H:, 80 0/, de protons avec un bon rendement en gaz.

L'utilisation du duoplasniatron comme source d'ions hydrogène impose donc la connaissance des conditions optimales de formation des diverses par- ticules ionisées.

De plus, l'analyse en masses du faisceau permet de déterminer l'importance relative des mécanismes d'ionisation.

Ia,,

compris entre 5 et 30 A (la durée des impulsions étant de 5 millisecondes, leur fréquence de

1

Hz) [l].

3. Résultats expérimentaux.

-

Les figures 1, 2 et 3 traduisent les variations des abondances de H f , H: et H: en fonction des paramètres de la source.

Sur chacune des courbes nous avons reporte les valeurs du potentiel de l'électrode intermédiaire, laissée flottante.

3 . 1

INFLUENCE

DE

Jar,

ET DE

B (Fig. 1 et 2). - Une augmentation de I,,, ou de B entraîne une augmen-

2. Dispositif expérimental. - Le faisceau est extrait sous une tension de l'ordre de

-

20 kV. L'ana- lyse est effectuée grâce

à

un électro-aimant

à

balayage linéaire en chanip magnétique après focalisation

à

l'aide d'une lentille

à

trois électrodes.

Lcs trois ions H', H: et H: sont collectés dans une cage de Faraday située

à

25 cm de l'électro-aimant.

Nous avons étudié l'influence des paramètres de la décharge sur les abondances des trois ions, soient

:

pl pression du gaz dans la chambre cathodique, p2, pression du gaz dans la chambre anodique, I,,,, courant de décharge, B, intensité maximale du champ magnétique axial.

Les manipulations ont été faites en régime continu

pour I,,, inférieur

à

5 A et en régime pulsé pour

FIG. 1. - Influence dc la,,.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1968323

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C 3 - 9 4 C . VALOT

O

n;

' H;

1

H;

.50 ._ _----%I ^/' ^50.

1 1 ^{- \}

\,-%----.--

-1 O

x

10- 2 p2

- - - . -

I 12 v I ^I

thermique 1

40 V !

80 V

¹

thermique ! l

> 40 V

l

O

4

6

8

10

20 ( 1 ) H 2 + e + H + H + e 1 ,

^{0 2 1}⁼

^0,6

( 2 ) H2 - + H + H l Dissociation (3) H , + e

^-t

H f + 2 e j

a, =

0,65 (4) H, + e

+

H: + 2 e 1

^ai⁼

^{I , 1}

(5) H: + ^H,

^-+

^H: + ^H

^O, ⁼

⁸⁰

Dans ce qui suit, nous supposerons négligeables les de la présence du champ magnétique axial et de la recombinaisons sur les parois et les recombinaisons faible \a!eur du coefficient de recombinaison en en volume des ions, hypothèse légitime par suite volume.

t

(6) H: + ^{H 2}

⁺

^{H +} + H + H2

FIG. 2. - Influence de B.

FIG. 3. - Influence de pz.

tation de H' et une diminution de H i d'autant plus

sensible que la pression

p l

est faible.

V E ,

croit en fonc- variations des abondances des trois ions suppose que tion des mêmes paramètres. H f suit donc les varia- l'on ait pu établir un modèle de l'arc.

tions de

V E , .

L'étude des caractéristiques (température et den-

3.2

DE

3).

-

En régime pulsé, sité électroniques) du plasma cathodique et du plasma d u

fait

d u pompage ionique, il pas

poss,,.,le

de anodique, la mesure des vitesses des électrons et des garder ]a pression constante durant toute la durée de ions

diffusant de la

source, permettent le

la décharge. modèle suivant [2]

:

L'influence de p 2 a donc été mise en évidence en L'ionisation des neutres se fait principalement sous continu pour des courants de décharge inférieurs

à

l'action d'un faisceau d'électrons primaires issu du

5 A.

plasma cathodique et canalisé par les lignes de force

une augmentation de

^pz

se traduit par

:

une dimi- de l'induction. L'énergie de ce faisceau et ses varia- nution de

V E , ;

une augmentation de H;

;

une dimi- tions sont,

à

10 volts près environ, assez bien représen- nution de H + et de HZ. tées par le potentiel V,, de l'électrode intermédiaire

laissée flottante.

4. Justification qualitative des sens de varia- Rappelons les principales réactions qui peuvent se tions de H', H:, H:.

-

La justification des sens de produire

à

l'intérieur de la chambre

à

décharge.

a; =

4

(4)

4.1 VARIATIONS

DE

H +

ET

H;.

-

e examen ^des

figures 1, 2 et 3 conduit

à

envisager deux cas extrêmes

:

4 . 1 . 1 V,,

=

35 V (Fig. 3).

-

Ceci correspond

à

B

=

2 kG, I,,,

= 3

A,

p , =

I O - ' torr. Les abon- dances des trois ions sont alors

:

Les réactions conduisant

a

la formation de H + et H: sont les réactions (l),

(3),

(5) et (6). Les atomes d'hydrogène sont alors formés

:

-

par dissociation électronique suivant la réac- tion (1). Le spectre d'énergie des électrons est carac- térisé par W ,

⁼

25 V et A W = 30

V, W,

étant l'énergie moyenne des électrons, A W la largeur

à

mi-hauteur du spectre

;

-

par collisions ions-molécules, suivant les réac- tions (5) et (6).

A p ,

=

10-' torr, les 1. p. m. des ions sont de l'ordre de 10-' cm de telle sorte qu'entre deux colli- sions ceux-ci acquièrent une énergie de quelques volts.

La probabilité de la réaction (5) est alors plus grande que celles des réactions (1) et (6). H + et H: sont donc principalement formes suivant les réactions

:

Le rapport des probabilités donnant H l et H + est sensiblement égal au rapport a,/a, qui est supdrieur ou égal

à

1 dans ces conditions. H: est donc prépon- dérant devant H t lorsque V,, est faible.

4.1.2 V,,

=

65

V

(Fig. 2).

-

Ceci correspond

à

I,,,

=

15 A, B

=

5 kG et

p , = I O - '

torr. La compo- sition du faisceau est la suivante

:

Le spectre d'énergie des électrons est alors carac- térisé par

La pression dans la chambre anodique est relative- ment faible du fait du pompage ionique

:

5 x IO-' torr

environ. Les 1. p. m. des ions sont de l'ordre de 1 cm et leur énergie est plus élevée que précédemment

:

quelques dizaines de volts.

La probabilité de la réaction (5) est alors très faible.

Comme précédemment, la probabilité de la réaction (6) est grande devant celle de la réaction (1) de telle sorte que nous considérons seulement les réactions

:

Ces trois réactions justifient la rareté de H: et la prkdominance de H f devant HZ, aj étant supérieure

à

a, dans ce domaine d'énergie.

4 . 2 VARIATIONS

DE

H: . - 4 . 2 . 1 InJltlences

de

I..,,

et B. -

I,,, et B ont peu d'influence sur I'abon- dance de H : . On constate cependant une augmenta- tion rapide de H + et une diminution de H: lorsque Id,, croît au-delà de 15 A, phénomènes que l'on est tenté d'expliquer par la dissociation thermique du gaz neutre suivant la réaction (2).

4 . 2 . 2 Influence de p,.

-

Lorsque p, augmente, I'énergie des électrons et des ions décroît et entraîne une augmentation du rapport a,/o,.

11 en résulte une augmentation de H: et une dimi- nution de H i .

5 . Conclusion.

-

Etant donné le nombre élevé des réactions qui peuvent se produire dans la source et le nombre élevé des paramètres de la décharge qui influent sur la composition du faisceau, I'interpréta- tion des résultats ne peut Cltre que qualitative.

L'étude précédente nous a permis cependant de déterminer les conditions de formation des trois ions H + , H: et H: et de dégager les principales réactions responsables de l'ionisation.

Références

[ I l

^VALOT(C.), D. E. S.,

Orsay,

1965.

[2] LWEUNE (C.) et PRANGERE (F.),