ÉTUDE D'UN DÉPHASEUR UTILISANT UNE LIGNE DE PROPAGATION HÉLICOÏDALE IMMERGÉE DANS UN PLASMA DE DÉCHARGE

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ÉTUDE D’UN DÉPHASEUR UTILISANT UNE LIGNE DE PROPAGATION HÉLICOÏDALE IMMERGÉE DANS UN PLASMA DE DÉCHARGE

Jean-Paul Morizot

To cite this version:

Jean-Paul Morizot. ÉTUDE D’UN DÉPHASEUR UTILISANT UNE LIGNE DE PROPAGATION

HÉLICOÏDALE IMMERGÉE DANS UN PLASMA DE DÉCHARGE. Journal de Physique Colloques,

1968, 29 (C3), pp.C3-230-C3-233. �10.1051/jphyscol:1968361�. �jpa-00213600�

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

Avril

1968, page C 3

-

²³⁰

ÉTUDE D'UN DÉPHASEUR

UTILISANT UNE LIGNE DE PROPAGATION HÉLICOÏDALE MMERGÉE DANS UN PLASMA DE DÉCHARGE

JEAN-PAUL MORIZOT

Laboratoires de Recherches Générales de la Compagnie Française Thomson Houston, Hotchkiss Brandt Résumé.

-

Le mode fondamental d'un guide hélicoïdal entièrement rempli d'un plasma collisionnel sans champ magnétique appliqué, est étudié en supposant le plasma homogène. La phase et l'atténuation des ondes traversant le guide sont mesurées simultanément au moyen d'un système enregistreur utilisant une ligne à quatre sondes. Ces mesures mettent en évidence l'influence de la gaine ionique entourant la ligne hélicoïdale sur la propagation des ondes électromagnétiques.

Abstract. - The fundamental mode of a helical waveguide, entirely filled with a collisionnal plasma (without magnetic field) is considered assuming that the plasma is homogeneous. Phase shift and attenuation of waves are both measured with four fixed probes. These measurements show the effect of the ion sheath around the helix on the wave propagation.

1. Introduction. - L'interaction guide d'ondes-plasma a été étudiée par plusieurs auteurs [l] [2] [3] [4].

Quelle que soit la nature du guide, il existe deux catégories de modes de propagation :

- les modes du guide seul perturbés par le plasma,

-

les modes de plasma perturbés par le guide (qui peuvent se propager en l'absence du guide).

Nous utilisons un guide coaxial dont le conducteur central est une hélice (Fig. l), cette structure permet-

tant d'obtenir une interaction considérable entre l'onde et le plasma. Le plasma emplit entièrement le guide. Dans ce cas, on démontre que seuls les modes du guide perturbés par le plasma, peuvent se propager :

k

plasma n'intervient que par sa constante diélec- trique

Dans cet article, nous décrivons une étude expéri- mentale de l'influence sur la phase et sur l'atténuation des ondes électromagnétiques :

- des paramètres du plasma : pression et courant de décharge,

-

de la polarisation négative de l'hélice par rapport au plasma (c'est-à-dire de la gaine ionique entourant l'hélice).

2. Modes de propagation.

-

Les modes de l'hélice blindée dans l'air sont représentés figure 2, réf. [SI.

La vitesse de phase du mode fondamental m = O est V q # C sin @ :

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1968361

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ÉTUDE D'UN DÉPHASEUR UTILISANT UNE LIGNE DE PROPAGATION C 3

-

231 L'onde semble se propager le long du fil de l'hélice

avec la vitesse de la lumière dans le milieu qui baigne l'hélice : la situation est analogue lorsque le milieu est un plasma de constante diélectrique :

gp = 1

-

^W;/W(O - jv)

(plasma collisionnel, froid et sans champ magnétique appliqué). Le champ électrique est de la forme :

E, = E(r) exp(jot

-

yz)

avec y = a

+ jp.

On montre [6] que y # klsin

+

pour le mode m = O, k étant la constante de propagation des ondes dans un plasma illimité :

k,

et k, [7] ne dépendent que de et de ( v / o ) , c'est-à-dire à fréquence constante, de la densité électronique ne et de la pression P du gaz ionisé. La figure 3 donne les variations des constantes de phase

koa) F GHz

et d'atténuation

p

et a en fonction de la fréquence de l'onde pour une fréquence plasma F, = 2 GHz et une fréquence de collisions électroniques v = 2 GHz.

Lorsque le plasma est sans collisions, la fréquence F = F, joue le rôle de fréquence de coupure.

3. La décharge.

-

Le plasma est créé par une décharge dans l'argon (du type à cathode creuse) qui est stable pour des pressions comprises entre 0,2 et 6 torr. Le courant de décharge Id peut varier de O à 100 mA et la tension appliquée est de l'ordre de 400 volts.

La densité électronique n, qui varie linéairement avec Id est de l'ordre de IO1' cm-3 pour P = 0,4 torr et Id = 80 mA. ne décroît beaucoup quand la pression passe de 0,4 à 2 torr : ne = 10'' cm-3 pour

P

= 2 torr et 1, = 80 mA. L'énergie thermique électronique KTe est de l'ordre de 5 eV pour Id = 60 mA et p = 0,4 torr, ce qui correspond à une fréquence de collisions v # 2 GHz. Les fréquences de collisions sont du même ordre de grandeur que la fréquence de l'onde (1 à 4 GHz) ainsi que les fréquences de plasma : FB = 2 GHz pour ne # 5 x 10'' cm-3.

+,mA (courant d.hPice)

COURBES(lh/VhI POUR UNE

PRESSlON PslmrnHg

POTENTIEL DE CHEL~C RAPPORT A CANODE

b 5 0 +

marqueur Alimentation continue

de la décharge

i -

t - polarisation

50R

7

Générateur 1 a 4 G H z

Ligne de mesures

TT,&

^à ⁴ ^sondes

-

^~

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C 3

-

232 JEAN-PAUL MORJZOT L'hélice peut être considérée comme une électrode

auxiliaire de la décharge : si nous appliquons sur l'hélice une tension

V h

par rapport à l'anode, un courant d'hélice

Zh

prend naissance. Nous avons représenté figure 4 les caractéristiques

(Z,,

V,,) obtenues pour P = 1 mm Hg. Dans la zone des potentiels négatifs, l'hélice semble se comporter comme une sonde de Langmuir de grandes dimensions. On constate que le potentiel flottant est indépendant du courant de décharge.

4. Mesures dynamiques de la phase et de l'atté- nuation.

-

Le schéma du dispositif expérimental est représenté figure 5. L'onde transmise à travers le tube à plasma subit un déphasage A p et une atténua- tion A qui varient au rythme de la modulation du courant I, (de O à 100 mA).

Nous utilisons un dispositif d'enregistrement consti- tué essentiellement par une ligne à quatre sondes espacées de 118. T étant l'amplitude de l'onde transmise, on observe sur l'écran de l'oscilloscope les courbes en coordonnées polaires T = f (p).

Nous avons représenté figure 6, trois oscillogram- mes obtenus par cette méthode. On constate sur ces diagrammes que le rapport AplA est plus favorable pour les faibles potentiels négatifs de l'hélice, c'est- à-dire lorsque la gaine ionique entourant l'hélice est peu épaisse. D'autres mesures ont montré que ce rapport était plus grand à haute fréquence et à basse pression, ce qui confirme l'importance du facteur

v l o .

La figure 7 donne les variations expérimentales et

théoriques du déphasage en fonction de la densité électronique pour une fréquence F = 4 GHz. Le déphasage théorique déduit des considérations du paragraphe 2, a pour expression :

Llsin

iI/

représente la largeur développée de l'hélice, soit 1,3 m.

(5)

SONDE A RÉSONANCE IONIQUE : MODÈLE THÉORIQUE SIMPLIFIÉ C 3 - 233 5. Conclusion.

-

Cette étude, bien qu'incomplète Rkférences

puisque nous n'avons pas tenu compte théoriquement d e l'existence d'une gaine ionique autour d e l'hélice.

donne cependant des ordres d e grandeurs acceptables p o u r le déphasage. Les performances d u système en tant que déphaseur à plasma sont extrêmement intéressantes : o n obtient en effet dans les meilleurs conditions un dépliasage d e 4 n radians pour 2 d B d'attkniiation, ce qui est tout

A

fait comparable aux résultats atteints par des déphaseurs à ferrites dans la bande S.

[Il LFPRINCE (Ph.), Propagation des ondes dans les guides à plasma. Thèse de Doctorat (Orsay, 1966).

121 TRIVELPIECE (A. W.), GOULD (R. W.), J. A . P., 1959, 30, 19884.

[3] BULGAKO\J SHESTOPALOV, SHISKIN, Soviet Phys., 1961, 5. 791.

[4] P A I K , - C O U ~ I ~ I ~ ~ of modes between a slow-wave piasma mode and a helix J. A. P., 1962, 33, 8, 2468.

[5] PIERCE et TIEN, Coupline o f modes in helixes. Proc.

I . R. E., 1951, 42, 1389.

[6] MORIZOT (J. P.), Etude d'un déphaseur plasma. Thèse de 3" cycle (Paris 1967).

[7] KEENAN, A review of electromagnetic propagation in plasmas. A4icrotvave Jourtiol, Sept. 1964, 56.

SONDE A RESONANCE ^IONIQUE ^:

MODÈLE THEORIQUE SLMPLIFIÉ

J. VIRMONT

Laboratoire de Physique des Milieux Ionisés, Ecole Polytechnique, Paris.

Equipe d e recherche associée au C. N. R. S.

Rksumé. - Nous présentons un modèle théorique très siinple qui permet de rendre compte en gros des variations, observées par plusieurs auteurs [ l , 21, du courant continu capté par une sonde radiofréquence, c'est-à-dire une sonde de Langmuir sur laquelle on applique, en plus de la polarisation statique, une tension alternative d'amplitude fixe et de fréquence variable, au voisinage de la fréquence plasma ionique

(op< =: (t1e2/&0 mi)%

.

Abstract. - We present a very simple theoretical inodel which may explain the experimentally observed variation, near the ioii plasma frequency con,, of the D. C. current collected by a R. F.

probe

-

i. e. a Langmuir probe on which an A. C . potential modulation of fixed amplitude and variable frcquency is applied.

1) Choix d'un modèle. - Soit un plasma uni- forme, de densité no et d e températures Tc et Ti.

Dans le plan x = O, nous imposons un potentiel alternatif, d'amplitude fixe et d e fréquence variable, ce qui produit un système d'ondes longitiidinales dans l'ensemble d u plasma. Nous nous intéressons aux courants alternatifs ionique ii et électronique i, qui traversent le plan x = O, e t plus précisément à la variation d e leur amplitude avec la fréquence.

Pour ce calcul, nous utilisons une description macros- copique à pression scalaire ; nous négligeons pour le moment les collisions.

2) Equations. - Soient tic et ni les densités, v, et vi les vitesses d'ensemble, me e t mi les masses des tlectrons et des ions, et soit V le potentiel. Ces gran-

deurs, fonctions de ^.Y et d u temps t , obéissent aux équations classiques [3] :

dn, -

+

div (ne v,) = O

at ( l a )

ilni

- +

div ( n i vi) = O

at ( 1 b )

d 0,

ne me - dt = en, grad V - KT, grad ne ( l c ) n i

mi+

do. = - e n i g r a d V

-

K T i g r a d n i (Id)

d t

-

^Y

A V = -- ( n i - ne)

.

&O (le)