SYNTHÈSE D'UN FAISCEAU DE PLASMA PAR NEUTRALISATION D'UN FAISCEAU D'IONS RAPIDES

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Submitted on 1 Jan 1968

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SYNTHÈSE D’UN FAISCEAU DE PLASMA PAR

NEUTRALISATION D’UN FAISCEAU D’IONS

RAPIDES

Mm. P. Chenevier, J. Dolique, C. Pomot, P. Sermet

To cite this version:

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SYNTHÈSE D'UN FAISCEAU DE PLASMA C 3

-

193

Le champ électrique critique est en effet donné par :

wo = onde de pompe, Q = onde BF, y,, yi = coeffi- cients d'amortissement des ondes électronique et ionique, wLi = onde plasma ionique exacte,

Ao,

lar- geur du mode électronique, /1 = sa longueur d'onde, 2 SZ =

Ao,

-

Ao,

où

Aw,

et

Ao,

sont les désaccords des raies satellites 1 ct 2 par rapport au maximum de la courbe de résonance linéaire (oo est supposé appro-

ondes BF en fonction de la position de fo à l'intérieur de la courbe de résonance linéaire donnera, elle aussi, des renseignements sur l'importance du « déferle- ment )).

Nous remercions vivement Monsieur E. Bloyet pour la contribution qu'il a apportée à ce travail.

Rkfkrences

[ I l STERN (R. A.) et TZOAK (N.), Phys. Rev., 1966,17,903.

[ 2 ] TONKS (L.) et LANGMUIR (I.), Phys. Rev., 1929, 34, 876. [3] LEPRINCE (Ph.), Conf. Int. Gaz Ionises, Belgrade, 1965,

Vol. II. 271.

ximativement à mi-pente de la courbe de résonance). [4] DATTNER (A:), Ericsson Technies, 1957, No 13, 2, 309. 151 PARKER (J. V.). NICKEL (J. C.) et GOULD (R. W.),

. -

, .

Conclusion.

-

Il a été possible de rendre instables phy;. F I L ~ S , 1964, 7,' 1489.

[6] LAVAL (G.), PELLAT (R.), POMEAU (Y.), A paraître avec des faibles niveaux de puissance H F une onde _(C._E._{A., Fontenay-aux-Roses, Fac. Sciences,} plasma ionique (200 mW), et l'onde pseudosonore Orsay).

(- 1 W) _{, ,}: la memière onde s'obtenant dans la limite _a [Il - - LEPRINCE (Ph.), Faculté des Sciences, Orsay, Rapport des courtes longueurs d'ondes (et donc généralement Interne L. P. 63.

181 CRAWFORD, Phys. Rev. Letters, 1961, 6, 663.

sera intéressant sa longueur _[9]_B-~iueov _{(M.) and MITROPOL~KY}_(Y.),_ASymptotic d'onde (dans le domaine non linéaire). _{Methods in the Theorv of Non-Linear OsciUa-}

Enfin, l'étude de l'amplitude respective de ces deux tions (Gordon and ~ r e i c h ) .

SYNTHÈSE

D'UN

FAISCEAU

DE

PLASMA

PAR

NEUTRALISATION D'UN FAISCEAU D'IONS RAPIDES

MM. P. CHENEVIER, J. M. DOLIQUE, C . POMOT, P. SERMET Faculté des Sciences de Grenoble, Laboratoire de Physique des Plasmas.

Résumé. - Les diverses théories laissent des doutes sur la possibilité de réussir la synthèse d'un faisceau de plasma, en injectant des électrons thermiques dans un faisceau d'ions (( rapides »,

ions dont la vitesse est supérieure à la vitesse moyenne des électrons. Une étude expérimen- tale a &té entreprise. Les premiers résultats permettent d'affirmer qu'une telle synthèse est possible.

Abstract. .- Some doubts rernain in theories on plasma beam synthesis by thermal electron injection in ion beams the velocity of which is greater than the electron mean velocity. An experimental study has been performed. According to the first results we can Say that such a synthesis is possible.

Introduction.

-

La synthèse d'un faisceau de plas- injectés. Les mécanismes de mélange prévus par les ma par injection d'électrons dans un faisceau d'ions a premiers modèles théoriques étaient en effet très diffé- fait l'objet d'études théoriques et expérimentales nom- rents selon que cette vitesse cc se situe au-delà ou en breuses, par suite de l'importance qu'a ce phénomène deçà de la vitesse des ions oi. En propulsion ionique, pour la propulsion ionique des véhicules spatiaux. elle se situe toujours au-delà : les faisceaux d'ions à neu- Dès le début, une vitesse est apparue comme critique : traliser peuvent être qualifiés de lents.

la vitesse moyenne d'agitation thermique des électrons Cette opposition entre faisceaux d'ions lents 13

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C 3 - 194 P. CHENEVIER, J. M. DOLIQUE, C . POMOT, P. SERMET

(vi < ce) et faisceaux d'ions rapides (vi > ce), du point de vue de leur neutralisation, s'est retrouvée d'ailleurs ensuite dans le modèle des électrons piégés. Contrai- rement aux autres modèles théoriques qui laissent des doutes sérieui sur la possibilité d'obtenir une neutralisation stable en charge et en courant, le modèle des électrons piégés rend compte très simplement de cette possibilité : quittant la cathode-neutraliseur avec des vitesses supérieures à ia vitesse des ions, les électrons se déplacent dans le faisceau d'ions, atteignent l'extré- mité où ils sont réfléchis, puis rebroussent chemin. Quelle que soit sur ce trajet leur vitesse réelle, les élec- trons ont une vitesse moyenne v, égale à la vitesse des ions.

Ce modèle, qui rend assez bien compte des expé- riences de propulsion ionique où la neutralisation en courant et en charge est obtenue -et que corrobore partiellement le modèle plus récent de Buneman-n'est applicable évidemment qu'à un faisceau d'ions lents.

Pour les faisceaux d'ions rapides où la théorie est incertaine, l'étude expérimentale n'avait pas encore été faite. On l'a entreprise sur un faisceau destiné à des études d'antennes en milieu ionisé. Les premiers résultats, qui devront être complétés sur bien des points pour permettre une confrontation serrée avec Ia ou les théories, permettent cependant d'affirmer déjà qu'une neutralisation en charge et en courant a pu être obtenue.

dans la chambre de mesure, permettent l'étude du faisceau au cours de son trajet.

Comme nous désirons réaliser une neutralisation par injection d'électrons thermiques, il est indispen- sable que la neutralisation spontanée du faisceau d'ions sur le gaz résiduel soit négligeable. Le temps que met celle-ci à s'établir

-

ou temps d'autoneu- tralisation -est aux pressions où nous travaillons (5 x mm Hg environ) de l'ordre de quelques centaines de microsecondes. Aussi opérons-nous sur des impulsions de durée réglable entre 5 et 25 micro-

secondes, synchronisées sur le secteur.

Le filament neutraliseur est à chauffage direct. Comme il est nécessaire que celui-ci soit équipotentiel durant le passage du faisceau d'ions, il n'est chauffé que pendant une alternance de la tension secteur, l'impulsion de faisceau ayant lieu pendant l'autre demi-période. Une tension continue de polarisation, réglable, est appliquée entre le neutraliseur et la masse. Un tore de mesure permet d'observer le courant d'électrons émis par le filament.

L'ensemble duoplasmatron optique d'extraction uti- lisé permet d'obtenir des faisceaux intenses d'ions de vitesse (vi) comprise entre 300 et 1 500 km/s, c'est-à- dire toujours supérieure à la vitesse moyenne d'agitation thermique des électrons émis par le neutraliseur (cc

=

250 km/s environ).

Mise en évidence d'une neutralisation globale. - Les Dispositif expérimental. - L'ensemble dont nous résultats présentés ici ont été obtenus pour une tension disposons (Fig. 1) comporte successivement, de d'extraction de 10 kV - ce qui correspond à une gauche à droite, le duoplasmatron auquel est associée vitesse d'ions de 1400 km/$ -et pour un courant une chambre d'expansion, un extracteur constitué par d'arc du duoplasmatron de 40 A, d'une durée de une grille, une lentille magnétique, un filament neu- 5 p . La forme de ce courant est donnée sur le premier traliseur mobile, une chambre de mesure en pyrex, et oscillogramme de la figure 2. Les différents paramètres enfin un collecteur mobile. Des sondes mobiles, situées relatifs à la source d'ions et à la bobine de focalisation

CHAMBRE CHAMBRE DE

D'EXPANsr ON NEUTRALISEUR MESURE

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sont réglés de façon à donner après injection d'élec- trons, le maximum de courant ionique sur un collecteur situé à 2 mètres environ de la source. Devant celui-ci une grille polarisée négativement a été disposée qui repousse les électrons du faisceau et les électrons secondaires émis par le collecteur.

L'étude de la neutralisation est effectuée grâce à l'observation de l'évolution du courant ionique sur le collecteur en fonction du courant de chauffage et du potentiel de polarisation du neutraliseur. Le courant d'ions recueilli sur le collecteur correspond, sur tous les oscillogrammes des figures 2 et 3, à la courbe inférieure, l'échelle étant de 20 mA par carreau, tandis que la courbe supérieure représente le courant d'élec- trons émis par le filament neutraliseur.

Lorsque le courant de chauffage et le potentiel de polarisation du neutraliseur sont nuls, le courant d'ions sur le collecteur a une forme triangulaire à montée très lente (Fig. 2). Les ions correspondant au front de I'impulsion divergent très rapidement sous l'effet de la charge d'espace et ne peuvent donc atteindre le collecteur. Ils frappent les parois de la lentille de focalisation et de l'enceinte et provoquent une forte émis- sion secondaire qui permet une neutralisation partielle de la queue d'impulsion : une partie de celle-ci peut atteindre le collecteur. II faut d'ailleurs noter que ce

courant collecteur peut être sensiblement augmenté en polarisant positivement le neutraliseur afin d'attirer au niveau de ce dernier les électrons secondaires.

En observant les oscillogrammes de la figure 2, tracés à potentiel neutraliseur nul, on constate que le courant collecteur, ainsi que le courant d'électrons émis par le filament, restent inchangés jusqu'à 60 am- pères de courant de chauffage. Ces deux courants crois- sent ensuite lorsqu'on augmente le chauffage, pour atteindre une valeur de saturation à partir de 70 ampè- res.

La température du filament neutraliseur, liée au courant de chauffage détermine l'émission électronique. Lorsque la température est insuffisante, l'émission est négligeable. Puis le courant de chauffage augmentant, le courant d'électrons émis par le filament croît jusqu'à une valeur suffisante pour permettre la neutralisation correcte du faisceau d'ions. Au-delà, l'excès d'électrons est rdabsorbé par le neutraliseur de sorte que le courant émis reste constant.

Il faut remarquer que la forme de l'impulsion de courant d'ions recueilli sur le collecteur varie lorsqu'on émet des électrons : de triangulaire elle devient à peu près symétrique. Ceci s'explique simplement par le fait que l'apport des électrons émis par le filament chauffé élimine l'effet de charge d'espace si important au niveau du front de I'impulsion en I'absence de neutralisation. Lorsque le neutraliseur est suffisamment chaud, la forme de I'impulsion d'élec- trons émise par celui-ci a une forme identique à celle du courant ionique sur le collecteur, décalée du temps de vol du faisceau.

Les oscillogrammes de la figure 3 indiquent I'évo- lution du courant d'ions sur le collecteur, et du courant électronique émis par le filament, en fonction du potentiel de polarisation de ce dernier, pour un courant de chauffage correspondant à la saturation. Il apparaît que le courant d'ions collecté passe par un maximum pour un potentiel de 70 V, la tension d'accé- lération étant de 10

kV.

Nous avons constaté que la valeur de ce potentiel optimal croît en même temps que la tension d'extraction, c'est-à-dire en même temps que la vitesse et la densité des ions.

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C 3

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196 P. CHENEVIER, J. M. DOLIQUE, C . POMOT, P. SERMET

lement avec un angle cc de 5 dzgrés environ ainsi que le montre la figure 4.

liseur devient très élevé, ce dernier capte un courant d'électrons secondaires qui peut être plus important que le courant nécessaire à la neutralisation du faisceau.

Afin d'étudier l'influence de la neutralisation sur la forme du faisceau dans la chambre de mesure, nous avons dressé une carte de densité en ions grâce à une sonde de 3 mm de diamètre, mobile axialement et radialement.

Sans neutralisation, le faisceau a déjà pratiquement éclaté à 0,75 nl du neutraliseur, et le petit nombre de particules qui restent à 1,55 m est dû à la neutralisation partielle par émission secondaire sur les parois. Neu- tralisé, le faisceau d'ions diverge beaucoup moins. II fallait savoir si cette divergence était due à un défaut de neutralisation en charge ou simplement à la divergence du faisceau d'ions au niveau de la neutralisation. Si on suppose que le faisceau est globalement neu- tralisé en charge (charge totale nulle par unité de longueur) son demi-angle d'ouverture a reste constant. La densité de courant moyenne sur la section droite

< J(z) > évolue alors selon :

où Ro désigne le rayon du faisceau à l'abscisse z = 0. C'est effectivement ce qu'on a vérifié expérimerita-

FIG. 4. En ordonnées,

Neutralisation fine. - Le résultat précédent montre qu'il y a neutralisation en charge globale, mais ne ren- seigne absolument pas sur la structure du faisceau mixte ions-électrons. Pour savoir si celui-ci est neutra- lisé finement en charge (densité de charge p nulle en tout point) on a mesuré la densité de courant J(z) le long de l'axe et on a comparé cette évolution à celle que prévoit le théorème de Liouville en l'absence de charge d'espace.

Dans ce cas, si on choisit à l'abscisse z = O une densité de probabilité dans l'espace des phases (r, p,)

on a à l'abscisse z :

où p,(r) est la valeur moyenne < p, > de p , en r, o et r les écarts types en r et p r , mu la quantité de mouve- ment suivant z supposée la même pour toutes les particules (approximation de Gauss).

La densité de courant sur l'axe à l'abscisse z est donnée par :

J(z) cc lim

--F

5:

!'=

Dz(r, p,) I d r dp,

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INTERACTION D'ONDES H. F. ET BF C 3

-

197

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'extraction 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