INJECTEUR DE PLASMA ENERGETIQUE A FORTE BRILLANCE ET MESURE OPTIQUE DE LA VITESSE DES PROTONS

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Submitted on 1 Jan 1971

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INJECTEUR DE PLASMA ENERGETIQUE A FORTE BRILLANCE ET MESURE OPTIQUE DE LA

VITESSE DES PROTONS

Richard Geller, Wulf Hess, Bernard Jacquot, Claude Jacquot

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Richard Geller, Wulf Hess, Bernard Jacquot, Claude Jacquot. INJECTEUR DE PLASMA ENER- GETIQUE A FORTE BRILLANCE ET MESURE OPTIQUE DE LA VITESSE DES PROTONS.

Journal de Physique Colloques, 1971, 32 (C5), pp.C5b-99-C5b-101. �10.1051/jphyscol:1971589�. �jpa- 00214808�

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INJECTEUR DE PLASMA ENERGETIQUE A FORTE BRILLANCE ET MESURE OPTIQUE DE LA VITESSE DES PROTONS Richard G e l l e r , Wulf Hess, Bernard J a c q u o t , Claude Jacquot

ASSOCIATION EURATOM-CEA

Département de l a Physique du Plasma e t de l a Fusion Contrôlée S e r v i c e ICn - Centre d t E t u d e s N u c l é a i r e s

Cédex 85

-

³⁸GRENOBLE Gare (France).

Résumé

-

On p r é s e n t e l a r é a l i s a t i o n d'un i n j e c t e u r à plasma é n e r g é t i q u e à f o r t e b r i l l a n c e u t i l i s a n t l e p r i n c i p e de l ' a c c é l é r a t i o n des é l e c t r o n s à l a résonance c y c l o t r o n i q u e dans un g r a d i e n t d e champ magnétique s t a t i q u e . La mesure de l ' é n e r g i e des i o n s u t i l i s e une méthode o p t i q u e Doppler.

Abs t r a c t

. -

We p r e s e n t a new plasma i n j e c t a r w i t h a g r e a t b r i g h t n e s s and an energy f o r t h e ions of 2 KeV. The p r i n c i p e of a c c e l e r a t i o n i s the e l e c t r o n c y c l o t r o n resonance. The energy of i o n s i s determined by Doppler s h i f t .

PRINCIPE.

Sur l e schéma de l ' e x p é r i e n c e Fig. 1 , on obser- ve que l a p r é i o n i s a t i o n du gaz hydrogène e s t c r é d dans un tube de q u a r t z à f a i b l e conductance (pres-

s i o n 10-3 t o r r ) p a r l e c h a q électromagnétique de f u i t e d'une c a v i t é hyperfréquence o s c i l l a n t s u r l e mode TF. 321. La puissance H.F. c o n t i n u e e s t 2 KW.

La longueur d'onde e s t 3 cm. Dans l a zone d ' a c c é l é - r a t i o n ( w e B = aHp ), l e s é l e c t r o n s e n pha-

ce'

s e avec l'onde a c q u i è r e n t une é n e r g i e perpendicu- l a i r e importante e t d é r i v e n t dans l e g r a d i e n t de champ magnétique. I l s e n t r a l n e n t avec eux l e s i o n s dans une d i r e c t i o n a x i a l e grâce au champ é l e c t r i -

que ambipolaire de charge d'espace. Ce champ é l e c - t r i q u e a x i a l e t l e p o t e n t i e l amont é l e v é ( 2 à 3 KV) ne peuvent ê t r e maintenus que s i l ' a c c é l é r a t i o n s e f a i t .avec d e s p a r o i s i s o l a n t e s ( t u b e de q u a r t z l ~ e f . 1 Une é t u d e théorique a n a l y t i q u e du mouvement i n d i - v i d u e l des p a r t i c u l e s permet de donner l ' e x p r e s - s i o n de l ' é n e r g i e a c q u i s e p a r l e s i o n s e t l e s é l e c - t r o n s . [ I I e t (21

S i l e champ magnétique au c e n t r e e s t m o i t i é du champ magnétique de résonance nous avons :

213 .

W//i

=WIe

=

^{m c}

9p

J Q P ' ~ ~ ~

e s t l e champ électromagnétique dans l e plasma).

S i nous supposons d'une p a r t que l a fréquence plasma r e s t e i n f é r i e u r e à W ( c e c i e s t n é c e s s a i r e pour une a c c é l é r a t i o n cohérente des i o n s ) , e t ce d ' a u t r e p a r t que l e volume du plasma e s t p e t i t devant le volume de l a c a v i t é , a l o r s l ' é n e r g i e d e s i o n s peut s ' é c r i r e en f o n c t i o n du c o e f f i c i e n t de s u r t e n s i o n :

w//

ⁱ^:^K'

Lf

ⁿ ⁼d e n s i t é du plasma

O i n j e c t é . ho

L ' a p p l i c a t i o n de ces formules à l ' e x p é r i e n c e PLEIADE, nous a permis d ' e s p é r e r une d e n s i t é de courant d ' i o n s de quelques 10 mA/cm 2 avec une

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1971589

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R. GELLER, W. HESS, B. JACQUOT, C. JACQUOT

é n e r g i e comprise e n t r e 2 e t 4 keV.

MESURE OPTIQUE DE LA VITESSE DES PROTONS.

On a vu que l e s c o n d i t i o n s de p a r o i s s o n t t r è s c r i t i q u e s pour l ' a c c é l é r a t i o n du j e t de plasma. On d o i t donc p r o s c r i r e t o u t d i a g n o s t i c en c o n t a c t d i - r e c t avec l e plasma. La mesure de l ' é n e r g i e des i o n s s e f e r a p a r une méthode o p t i q u e .

( a ) P~i!ln_ciee-be-la-!Es!z~ -

Les r é a c t i o n s d'échange de charge avec e x c i - t a t i o n e n t r e l e s i o n s é n e r g é t i q u e s e t l e gaz r é s i - d u e l o n t é t é u t i l i s é e s pour déterminer l a d i s t r i - b u t i o n de v i t e s s e e t l a d e n s i t é ( n . ) d e s ions chauds. Les r é a c t i o n s observées s o n t :

Les atomes n e u t r e s e x c i t é s é m e t t e n t une r a i e s p e c t r a l e (H

P

) déplacée p a r l ' e f f e t Doppler s e l o n l e u r s v i t e s s e s v . . Le déplacement ( b h ) à chaque p o i n t du p r o f i l e n r e g i s t r é donne d i r e c t e m e n t l a v i t e s s e des atomes i n c i d e n t s :

(2) Dans n o t r e c a s , s e u l l e s protons peuvent con- t r i b u e r à l a r é a c t i o n ( 1 ) . L ' i n t e n s i t é de l a r a i e d é p l a c é e e s t donnée p a r l ' é q u a t i o n (3) :

p

⁼c o n s t . , c a r a c t é r i s e l e système de d é t e c t i o n . ni x <qO/&

G)= vi

fréquence de c o l l i s i o n s pour échange de charge avec e x c i t a t i o n , n. = den- s i té des i o n s .

n = d e n s i t é gaz c i b l e , V = volume vu.

Ann' = p r o b a b i l i t é de d é s e x c i t a t i o n spontanée n 7 n' La r a i e "chaude" a s s o c i é e à l a r é a c t i o n ( 1 ) e s t t o u j o u r s accompagnée d'une r a i e " f r o i d e " non déplacée pour l a uêm t r a n s i t i o n n - r n ' p r o d u i t par e x c i t a t i o n é l e c t r o n i q u e du gaz c i b l e : p a r exemple :

(5)

1; f3 ne < ~ e ~ . ' & > n , ~ ( ~ n n ~ And) h g

Dans ce cas l e r a p p o r t des i n t e n s i t é s e n t r e l e s deux r a i e s s p e c t r a l e s (3) e t (5) e s t donné p a r l e r a p p o r t des fréquences de c o l l i s i o n s :

'""/".Y

⁼ⁿ

-

ⁱ

^<

Go/o.c.U;>

( 6 )

Z ce, n e < c e s . c e )

L'expression

<

^6cw.G> = /cm

.*$ (~Nfl

pour l e s r a i e s de l a s é r i e de Balmer a é t é calcu- l é e en supposant que l a f o n c t i o n de d i s t r i b u t i o n f (v) d e s é l e c t r o n s s o i t Maxwellienne

.

[ 31

Pour déterminer l e t a u x de c o l l i s i o n :

<fio/r&Si)o. p e u t f a i r e l e r a p p o r t des s u r f a c e s des r a i e s e n r e g i s t r é e s ( r a i e c h a u d e l r a i e f r o i d e ) en supposant n = n . . On p e u t a l o r s a v o i r une pa-

e i

l e u r approchée de

Co/&"

en posant :

<

f i o p 4 .Oi> C Cr*>.< Go/&> '

Dans l ' i n t e r v a l l e d ' é n e r g i e ( 0 , l à 3 keV) q u i nous i n t é r e s s e en physique des plasmas, l e s s e c t i o n s

efficace^^^/&

n ' o n t pas encore é t é mesurées.

La f i g u r e 2 montre un enregistrement typique de l a r a i e H g déplacée p a r e f f e t Doppler. Les s p e c t r e s obtenus i n d i q u e n t une l a r g e d i s t r i b u t i o n de l ' é n e r g i e des protons. Le p r o f i l e n r e g i s t r é e s t p r o p o r t i o n n e l au p r o d u i t ( c4~/&. Zfi; J ( U ~ ' ) e n f o n c t i o n de l a v i t e s s e des p r o t o n s v . .

La f i g u r e 3 r e p r é s e n t e l a d i s t r i b u t i o n d'éner- g i e f(E) des protons a p r è s c o r r e c t i o n p a r l e pro- d u i t : U&/&, % ( v a l e u r r e l a t i v e ) . (Energie maxi- mum 2.4 keV)

.

L ' i n t e n s i t é t o t a l e de c e t t e r a i e "froide" e s t donnée p a r l ' é q u a t i o n ( 5 ) .

(4)

INJECTEUR DE PLASMA ENERGETIQUE

Une = s u r e par a n a l y s e des n e u t r e s i s s u s de PLEIADE p a r échange de charge d e s i o n s s u r l e gaz r é s i d u e l , perniet de confirmer l e s r é s u l t a t s précé- d e n t s . Pour c e l a l e s n e u t r e s s o n t r é i o n i s é s p u i s a n a l y s é s en é n e r g i e .

L'ensemble de c e s niesures permet d ' a f f i r m e r que l ' é n e r g i e des i o n s e s t p r o p o r t i o n n e l l e à l a puissance H.F. (Fig.4.).

Pour é t a l o n n e r l e système de d é t e c t i o n nous u t i l i s e r o n s l a d i f f u s i o n Rayleigh de l a lgmière provenant d'un f a i s c e a u Laser ( ~ r ' , 4880 A).

En comparant l ' i n t e n s i t é de l a r a i e crék p a r l a d i f f u s i o n Rayleigh avec l e s r a i e s des r é a c t i o n s

(3) e t (5) on pourra déterminer l a d e n s i t é des protons dans l e f a i s c e a u .

CONCLUSION.

I l a p p a r a î t que l ' o n p e u t o b t e n i r des i n j e c -

t e u r s à f o r t e b r i l l a n c e pour des é n e r g i e s des i o n s comprises e n t r e 1 e t 3 keV (j.ion )t -2).

En t r a v a i l l a n t s u r des longueurs d'ondes p l u s c o u r t e s , nous pouvons donc augmenter l a b r i l l a n c e pour une même é n e r g i e . Ces i n j e c t e u r s quasinient n e u t r e s ne s o n t pas l i m i t é s p a r l a l o i de Child Langmuir counne des s o u r c e s d ' i o n s c l a s s i q u e s . Dans l e cas d'une a p p l i c a t i o n de t e l s i n j e c t e u r s à l a r é a l i s a t i o n de source de n e u t r e s à f o r t e émittance e t à f a i b l e divergence, nous p o u r r i o n s o b t e n i r des b r i l l a n c e s de l ' o r d r e de l.A/cm de n e u t r e s 2 à

1 keV e n u t i l i s a n t des s o u r c e s H.F. e x i s t a n t e s de quelques kW avec ), = 0 , s cm.

De t e l l e s c a r a c t e r i s t i q u e s en t a n t que canon à plasma p e r m e t t r a i e n t a u s s i d ' i n j e c t e r un plasma de quelques 1 0 ' elcm 3 à 1 keV de fason continue dans d e s c o n f i g u r a t i o n s magnétiques fermées.

BIBLIOGRAPHIE

ld

ABGRALL (F) , BARDET (R) , BRAMBILLA (M)

,

_GLLER._(R),_JACQUOT_(B)_,JACQUOT (C), EUR-CEA-

CANOBBIO (E), FINZI (U), GELLER ( R ) , FC-567, 1970

GORMEZANO (C) , 2ème Colloque I n t e r n a t i o n a l

Ch. O s c i l l a n t e t Plasma, 1968, vol II.

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DRAVIN (H.W. 1, EUR-CEA-FC-383, 1966.