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Submitted on 1 Jan 1968
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INTERACTION D’ONDES H. F. ET BF DANS LE PLASMA D’UNE DÉCHARGE REFLEX
S. Bliman, A. Bouchoule, Mlle Martinez
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S. Bliman, A. Bouchoule, Mlle Martinez. INTERACTION D’ONDES H. F. ET BF DANS LE
PLASMA D’UNE DÉCHARGE REFLEX. Journal de Physique Colloques, 1968, 29 (C3), pp.C3-
197-C3-200. �10.1051/jphyscol:1968351�. �jpa-00213590�
Si on suppose d'autre part quep,(r) = ar, on obtient pour p petit devant a, ce qui correspond au cas de la mesure.
Etant données les valeurs expérimentales des diffé- rents paramètres et la plage de mesure ( z < i mètre),
l'expression se réduit
A
: 2 (cm),
O 20 40 60 80
La figure 5 montre que, pour une tension d'extrac- tion de 5 kV, et compte tenu de la précision des mesures, on peut considérer cette loi comme vérifiée.
La neutralisation en charge est donc non seulement globale, mais fine, ail voisinage de l'axe tout du moins, et assez loin en aval de la zone d'injection des électrons.
Conclusion. - Les résultats qu'on a obtenus sur la synthèse d'un faisceau de plasma par i~~jection d'élec- trons thermiques dans un faisceau d'ions rapides, per-
mettent d'affirmer qu'une neutralisation globale a été réalisée en charge et en courant. De premiers indices semblent indiquer, loin en aval du neutraliseur, une neutralisation fine en charge. Ces premiers résultats devront être complétés sur bien des points pour déter- miner quelle finesse de neutralisation est atteinte, comment elle évolue à partir du neutraliseur, et quels en sont les mkcanismes.
INTERACTION D'ONDES H . F . ET BF DANS LE PLASMA D'UNE DÉCHARGE REFLEX
par S. BLIMAN, A. BOUCHOULE et M'le M. MARTINEZ Institut d'électronique fondamentale. Laboratoire Associé au C . N. R. S.,
Faculté des Sciences, Orsay (France)
Résumé.
-
Lorsqu'on injecte des signaux hyperfréquence ou basse fréquence dans le plasma d'une déchargc Reflex, des effets non linéaires apparaissent pour des niveaux d'excitation peu importants. L'interaction entre ondes BF et H. F. observée dans différents systèmes faisceau- plasma est mise en évidence et étudiée expérimentalement. Pour une forte excitation hyper- fréquence un surcroît d'ionisation important est créé et des raies nouvelles apparaissent dans le spectre des fréquences émises par la décharge.Abstract. - When we introduce high and/or low frequency signals into the plasma of a cold cathode PIG discharge, sonle non linear-effects appear for relatively low excitation levels. The interactions between high and low frequencics which are often observed in beam-plasma devices are studied here.
For high levels of high frequency excitation an enhanced ionization occurs and new lines are observed in the frequency spectra of the discharge.
Interaction d'ondes H. F. et BF dans le plasma d'une cathodes froides met en évidence le rôle important des décharge Reflex. - L'étude d'une décharge Refiex à faisceaux rapides d'électrons primaires non seulement
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1968351
C 3 - 198 S. BLIMAN, A. BOUCHOULE ET M'le M. MARTINEZ pour créer le plasma secondaire mais pour donner
ensuite par un mécanisme d'interaction faisceau- plasma, des instabilités hyperfréquences.
Les propriétés d'un tel système sont analogues à celles de dispositifs faisceau-plasma moins particuliers.
Les oscillations obtenues
[Il
atteignent facilement un niveau suffjsant pour faire apparaître les propriétés non linéaires du milieu [2]. Des puissances hyperfré- quences de quelques dizaines de milliwatts conduisent à des effets collectifs comme l'apparition de fréquences nouvelles par interaction d'onde; [2] ; des phénomènes plus complexes sont induits à fort niveau d'excitation H . F. ; enfin, une corrélation entre basses fréquences (quelques dizaines de kHz à quelques MHz) et hyper- fréquences (de quelques centaines de M H z à quelques kMHz) a étC signalée dans beaucoup d'études sur les milieux plasma ou faisceau-plasma 13, 4, 51.Nous nous sommes attachés à mettre directement en évidence ces phénomènes d'interaction d'ondes dans une décharge Reffex, notamment entre les basses fré- quences (domaine ionique) et hautes fréquences (do- maine électronique) excitées dans le plasma.
1 . Montage expérimental. - La figure 1 montre la structure de décharge PIG utilisée. La longueur de la décharge (25 cm) est égale à la distance cntre les deux cathodes froides en aluminium. Le diamètre
(a
= 10 mm) de la colonne de plasma est dCfini cor- rectement par la dimension des ouvertures de la cavité anode. Le système alimenté en hélium, fonctionne en vide dynamique à des pressions variant de à quel- ques torr. L'induction magnétique de confine- ment est inférieure à 500 gauss, et son homogénie, dans tout le volume de décharge est meilleure que 17;.
S.A.
FIG. 1. -Schéma du montage.
La tension appliquée sur les cathodes est de l'ordre de - 1 000 volts. Dans ces conditions, pour des cou- rants n'excédant pas 10 mA, la densité du plasma for- mé est de 10'' à 10" cm-3 et la température électro- nique peut atteindre 5 eV.
Aux deux extrémités de l'anode, deux hélices blin-
dées permettent d'introduire des excitations séparées dans le plasma et une antenne prolongée par un câble coaxial permet de recueillir une information sur les effets créés dans le plasma. Elle est mobilc radialement et longitudinalement. Tant du côté de l'excitation que du côté de l'analyse, on est amené disposer les filtres convenables d'une part assurant que l'on n'injecte pas dans le plasma les fréquences que l'on espère y créer et d'autre part éliminant la génération non linéaire de signaux dans le dispositif d'analyse (cristaux...).
2. Interactions d'ondes : Effets à faible niveau d'excitation.
-
2.1 MISE EN ÉVIDENCE. - Pour des niveaux de puissance rayonnée au voisinage des hélices de I'ordredequelques dizaines de milliwatts, on observe à l'analyseur de spectre (Polarad TSA W) des raies correspondant soit aux harmoniques des fréquences fi et f , introduites par les hélices, soit aux différentes combinaisons nfl+
pf,. On peut détecter nettement au-dessus du bruit les harmoniques d'ordre 4 et même supérieur. Une analyse du niveau des différentes raies [2] nf,+
f , en fonction de la puissance du signal f i injecté, montre que leur taux de croissance relatif varie avec la puissance n-ième du signal f,.Dans les mêmes conditions, pour un écart ( fl
-
f,) variant de quelques dizaines de kHz à quelques MHz, on peut observer directement sur un oscilloscope la fréquence I f ,-
f ,1
(Fig. 2). Ces observations rejoi-FIG. 2. -Observation des harmoniques, de la somme et de la différence des fréquences fi et f2.
Conditions : V := 1 040 V, p = 2,7 x 10 - 3 torr, Bo
-
320 Gfi = 520 MHz, f z =. 500 MHz.
a =; Analyseur de spectre. Fréquence centralc 1 020 MHz 20 MHz par division.
b = Oscilloscope 0,05 ps par cm.
gnent celles de Fedorchenko [ 6 ] où l'interaction d'ondes basses fréquences et hyperfréquences a été mise en évidence.
Réciproquement, on peut exciter une perturbation de basse fréquence fo dans le plasma en appliquant sur une des hélices un signal alternatif de quelques volts d'amplitude. Si on introduit par l'autre hélice un signal hyperfréquence f,, la sonde détecte au voisi- nage de fl des raies supplémentaires satellites avec un écart de fréquence correspondant à la fréquence basse de l'excitation forcée du plasma (Af = f1
+
f,).La figure 3 montre les spectres observés en haute
FIG. 3. .- Interaction haute fréquence-basse fréquence.
Spectre au voisinage dc f i pour deux basses fréquences.
1 : f2
-
0,5 MHz.II : f2 = 1 MHz.
fi .-- 445 MHz.
fréquence pour deux valeurs de la basse fréquence fo comprises entref,, et fpi (fréquences cyclotron et plas- ma des ions He' dans la décharge).
Le niveau dc la raie satellite <( violette )) (de plus haute fréquence) varie linéairement avec celui de la perturbation basse fréquence.
2 . 2 CONDITIONS OI>TIMALES DE MISE EN ÉVIDENCE DES EFFETS NON L I N ~ A I R E S . - Dans une première expérience, nous avons essayé de déterminer le rôle des paramètres de la décharge dans l'obtention d'ondes basse frkquence par mélange de deux ondes hyperfré- quences. La figure 4 met en évidence les phénomènes observés de façon générale. Le seul paramètre variable est ici l'induction Bo. La courbe 2 représente la puis- sance hyperfréquence (dissipée au niveau d'une hélice) nécessaire pour observer dans le plasma l'apparition du signal de fréquence fo =
f, - f,.
La courbe 1 représente pour les mêmes conditions de décharge la transmission d'un signal de fréquence f=
f l= f2
d'une hélice à l'autre. La comparaison des courbes montre que pour une puissance donnée dissipée au niveau des hélices les effets NL produits sont forte- ment liés aux conditions de résonance. Leur inten- sité traduit simplement le niveau des champs hyper- fréquences réellement présents dans le volume du plasma.
FIG. 4.
-
1 ) Transmission hyperfréquence a fi-
444 MHzen fonction de Bo.
2) Niveau de puissance hypcrfréquencc(à fl cz fi = 444 MHz) nécessaire pour obtenir la basse fréquence
V = 880V
P = 3,1 x 10-3 torr
.
Nous nous sommes placés dans les conditions opti- males (résonance) pour deux fréquences voisines fl
= f2
avec les puissances injectées Pl et
P,
telles que Pl >Pz.
Sans changer les conditions de décharge nous avons relevé le niveau de l'oscillation f1
- f,
en fonction de fl -f,.
Les deux courbes correspondant àf, 2 f2
sont reportées sur la figure 5. La courbe de transmissionFIG. 5.
-
1) Transmission d'un signal BF.2) Amplitude du signal BF engendré fi < fi.
3) Amplitude du signal BF engendré f2 z f i .
P = 2,5 x 10-3 Bo == 256 G
V = 900 V fi = 443 MHz Pr2 < Pfl.
dans les mêmes conditions d'un signal basse fréquence d'une hélice à l'autre a été également tracée sur cette
C 3
-
200 S. BLIMAN, A. BOUCHOULE ET M'le M. MARTINEZ figure. On voit que pour un niveau donné d'excitationnon linéaire de basses frCquences les oscillations basse fréquence qui en résultent sont une amplitude qui dépend des propriétés de propagation de ces basses fréquences dans le plasma.
Toutes les expériences reportées ci-dessus correspon- dent à des niveaux de puissance hyperfréquence pour lesquels ne se manifeste pas l'effet d'ionisation supplé- mentaire : le courant de décharge n'est pas affecté.
3. Interaction d'ondes
A
fort niveau d'excitation.-
Pour des puissances rayonnées au niveau d'une hélice dépassant 500 mW Zi 1 W selon les conditions de décharge, on a pu mettre en évidence un phénomène (analogue A l'effet Brillouin stimulé) étudié dans le plasma d'une colonne positive (sans champ magnCti- que) par Mme Constantin [7]. L'excitation avec un tel niveau d'une seule onde hyperfréquencef,,
fait apparaître simultanément une onde basse fréquence et les raies satellites correspondantes de part et d'autre dej;. La raie « rouge )) est alors de niveau plus élevé que la raie violette. L'observation d'un phénomène semblable dans des conditions expérimentales aussi différentes peut signifier qu'il est lié à une propriété assez générale du plasma soumis à une forte excitation hyperfréquence. Dans nos expériences les puissancesA
partir desquelles on l'observe correspondent à I'ap- parition nette d'une ionisation supplémentaire (accrois- sement de la luminosité du plasma et du courant de décharge). Le signal BF qui est créé dans ces conditions pourrait correspondre à une onde d'ionisation.Toutes les expériences ont pu être répétées qualita- tivement en se mettant dans les conditions de décharge où on obtient une auto-oscillation hyperfréquence [l]
et en utilisant cette fréquence propre pour provoquer les mêmes phénomènes.
Si on excite dans le milieu une zone de bruit intense hyperfréquence, on doit donc s'attendre corrélati- vement à observer un accroissement du bruit basse fréquence du plasma.
Cette étude est poursuivie expérimentalement pour préciser la nature de I'oscillation basse fréquence observée, et pour déterminer l'accroissement de I'éner- gie ionique correspondante.
L'étude théorique des propagations guidées ioni- ques actuellement en cours nous aidera à déterminer la nature des ondes : cyclotron ionique ou pseudo sonores.
Parallèlement à une étude théorique, ces expériences doivent permettre de mieux connaître les processus physiques mis en jeu.
Bibliographie [Il BLIMAK (S.), Thèse, Orsay, 1966.
[2] BL~MAN (S.), BOUCHOULE (A.) et M l l e MARTINEZ (M.), VIe Congrès International sur la génération et amplification, Public. 1. E. E. no 27, Londres, janvier 1967, p. 490.
[3] VLAARDINGERRROEK (M. T.), WEIMER (K. R. U.), Phi- lips Techn. Rev., 1966, 27, p. 241.
[4] APFL (J. R.), Techn. Report TG 821, juin 1966, John Hopkins University.
[ 5 ] KHAKCHENKO et al., Conf. Salzbourg, 4 sept. 1961,
CN 10/230.
[6] FEDORCHENKO (V. D.) et al., Sov. Phys. Techn. Phys., 1966, 10, no 11, p. 1549.
[7] M m e CONSTANTIN (A.) et al. Communication D 1, Col- loque sur la Physique des Milieux Ionisés, Grenoble 25 mai 1967.
