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Processus de formation de plasmas sans électron

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Texte intégral

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HAL Id: jpa-00208658

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Submitted on 1 Jan 1977

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Processus de formation de plasmas sans électron

S. Avrillier, J.-P. Schermann

To cite this version:

S. Avrillier, J.-P. Schermann. Processus de formation de plasmas sans électron. Journal de Physique,

1977, 38 (8), pp.913-914. �10.1051/jphys:01977003808091300�. �jpa-00208658�

(2)

913

PROCESSUS DE FORMATION DE PLASMAS SANS ÉLECTRON (*)

S. AVRILLIER et J.-P. SCHERMANN Laboratoire de

Physique

des Lasers

Université Paris

XIII,

93430

Villetaneuse,

France

(Reçu

le 22 decembre

1976,

révisé le 4

avril 1977, accepte

le 19

avril 1977)

Résumé. 2014 Un plasma d’ions positifs et

négatifs

peut être formé, soit directement à l’aide de processus de formation de

paires,

soit indirectement par

l’adjonction

de

particules électronégatives

dans un plasma conventionnel, les électrons s’attachant pour donner des ions

négatifs. Après

avoir

passé

en revue les différents mécanismes de formation de

paires

d’ions et de recombinaison, on

considère un exemple expérimental mettant en évidence les

propriétés

les

plus caractéristiques

d’un plasma sans électrons que l’on compare à celles des plasmas à forte

proportion

d’ions

négatifs

obtenus

par attachement

électronique.

Abstract. 2014 An electron-free

plasma

can be created, either directly

by

a

pair-formation

process,

or by

adding electronegative particles

to a conventional

plasma.

After

reviewing

the different ion- pair formation and recombination processes, we compare the

experimental properties

of an electron- free

plasma

and of a negative ion-rich plasma obtained

by

electron attachment.

LE JOURNAL DE PHYSIQUE TOME 38, AOUT 1977,

Classification

Physics Abstracts

6.505 - 6.550

1. Formation et recombinaison de

paires

d’ions. -

Afin de

pouvoir pr6dire

la

composition

et la densite

d’un

plasma

sans

electron,

il est n6cessaire de con-

naitre les sections

efficaces,

les

energies

mises en

jeu

et les differentes voies de sortie des m6canismes suivants :

AB +

6nergie

--> A + + B - ionisation en

paires

d’une molecule A + B +

énergie -->.

A + +

B -

transfert de

charges A + + B -

--> A + B recombinaison ion-ion.

1.1 PHOTOIONISATION. - Le domaine

d’6nergie

dans

lequel

se

produit

la formation de

paires

d’ions

par

photoionisation

est de 1’ordre de

quelques

eV et

correspond

au domaine

spectral

de l’UV moyen ou lointain ou les sources de haute intensite sont de realisation difficile. L’utilisation de lasers est souhai- table dans le cas d’une transition a un seul

photon,

par contre les transitions

multiphotoniques

ne

s6parent

pas facilement les differents processus d’ionisation.

- La section efficace est tres faible

(10-19

à

5 x

10 -1 7 cm’)

et elle est en

general, plus

faible

que pour les autres processus d’ionisation.

- Le processus est rare

[1]

et

apparait

de

pr6f6-

rence pour les molecules

diatomiques.

11

n’existe, actuellement,

aucune m6thode

permettant

de

pr6dire

1’existence du processus.

(*) Communication presentee au Congr6s National de Physique

des Plasmas, Paris, 6-10 decembre 1976.

1.2 DISSOCIATION THERMIQUE DES MOLECULES IONI- QUES. - En soumettant a de

brusques

variations de

temperature (par

ondes de

choc)

des molecules du type

ionique,

deux voies de dissociation sont

possibles :

il y a

soit,

formation de

paires d’ions,

soit formation d’atomes neutres. Dans le cas des

halog6nures

alca-

lins,

il est

possible

de

pr6voir

le taux de branchement entre ces deux voies

[2]

a

partir

de la connaissance des niveaux mol6culaires et de leurs interactions.

1.3 COLLISIONS ENTRE ATOMES FORTEMENT EXCITES

ET MOLECULES tLECTRONtGATIVES. - Certaines mole- cules M

(SF6

par

exemple) pr6sentent

la

propri6t6

d’attacher des electrons de tres faible

6nergie ( 0,1 eV)

pour former des ions

n6gatifs

stables.

Par

ailleurs,

dans les atomes tres fortement excites A**

au

voisinage

du seuil d’ionisation

(6tats

de

Rydberg),

1’electron

p6riph6rique

se conduit dans une

collision,

de

faqon

similaire a un electron

thermique [3].

La

section efficace du processus A**

+ M -+ A+ + M-

est alors tres 6lev6e

(10-11 cm’)

car le rayon

classique

de l’atome dans 1’6tat de

Rydberg

est tres

grand.

1.4 AUTRES REACTIONS DE TRANSFERT DE CHARGE CONDUISANT A LA FORMATION DE PAIRES. - De

faqon generale,

les atomes a faible

potentiel

d’ionisation

(alcalins)

et les atomes ou molecules a affinité elec-

tronique positive (halogenes, 02, M0, C0, MO2, ...)

ont tendance a effectuer des reactions avec transfert d’61ectron pour des

energies d’impact

de l’ordre de

quelques

eV. Dans tous ces cas, le mod6le de Landau Zener, avec un traitement

semi-classique

du mouve-

ment nucl6aire donne des r6sultats satisfaisants

[4, 5].

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01977003808091300

(3)

914

1.5 SYNTHESE DIRECTE. - A

partir

de la neutra-

lisation mutuelle de deux faisceaux

ioniques,

il est

possible

d’obtenir un

plasma ionique [6]

pouvant atteindre une densite de

106 ions/cm’.

2. Creation d’un

plasma

form6 d’ions de masse

6gale,

et de

composition

d6finie. - Les

plasmas

sans

electron ont 6t6 consid6r6s pour leurs

applications

6ventuelles dans le

probleme

de

propagation

des

ondes

[7, 8].

La masse

reduite, qui

intervient dans

1’expression

de la

frequence plasma,

n’est

plus

la

masse de 1’electron comme dans un

plasma

conven-

tionnel,

mais devient

comparable

aux masses ioni-

ques. Un cas

particulier

int6ressant est celui ou la

masse de l’ion

positif

est

6gale

a celle de l’ion

n6gatif.

Ceci est le cas dans un

plasma

d’iode si l’on isole des autres processus

d’ionisation,

celui de formation de

paires :

qui

a lieu

[9]

pour des

longueurs

d’onde

comprises

entre 1 320 et 1 410

A.

Le processus

qui apparait

pour des

longueurs

d’onde inferieures à 1 300

Å

doit etre elimine. Une

lampe sp6cialement adaptee

a ce but a 6t6 construite : le spectre continu du

krypton (200 torr)

est

coupe,

aux courtes

longueurs d’ondes,

par une fenetre de sortie en fluorure de

baryum.

Le spectre 6mis couvre la

plage

1 650-

1 300

A

ou le seul processus d’ionisation est celui desire

(Fig. 1).

L’excitation de la

lampe

est

produite

par un

generateur

a 2 450 MHz

qui,

pour 80

W,

conduit a un flux de

photons

de 4 x

1013 photons/

steradian/seconde

pour la bande 1 320-1 410

A.

La cellule contenant l’iode

possede

une fenetre en fluorure

de lithium laissant passer tout le flux

utile,

et deux electrodes en tantale.

Lorsque

la

pression

est suf-

fisamment faible

(5

x 10-3

torr),

le milieu est

opti-

quement mince et le

photo-courant

est lin6airement

proportionnel

a l’intensit6 de la

lampe

a

krypton.

Ce

photo-courant

mesure en

appliquant

une tension

continue entre les

electrodes,

a 6t6

extrapol6

a

pression

d’iode nulle en refroidissant le queusot de la cellule.

On obtient ainsi la composante due aux

photons

electrons

parasites.

La mesure de

1’amplitude

et de la

phase

de la constante

dielectrique,

au

voisinage

de la

frequence plasma,

montre que la densite obtenue est de 3 x

10’ ions/cm’

pour une

pression

d’iode de

10-3

torr. Cette densite est tres faible. On peut la comparer a celle que l’on obtient au cours d’une

d6charge

dans un gaz

6lectron6gatif [10, 11].

FIG. 1. - La distribution spectrale d’une lampe a krypton (200 torr)

avec fenetre en BaF2 et produits de photoionisation de l’iode en

1 200 et 1 400 A.

[Spectral distribution of a krypton source (200 torr) with a BaF2

window and photoionization products of iodine in the 1 200- 1400 A range.]

Dans un

plasma

d’iode cree par attachement elec-

tronique [10],

les electrons les

plus rapides partici-

pent a de nombreux processus :

L’attachement dissociatif est le processus

pr6pon-

derant :

La densite peut atteindre

10" ions/cm3,

mais

il reste

toujours

une

proportion

d’61ectrons indis-

pensable

et la

composition ionique

est

complexe.

Au

contraire,

dans un

plasma

cree par

photoioni-

sation la

composition peut

etre tres bien

definie,

la densite dix fois

sup6rieure

a celle obtenue par

synthese

directe pour un

appareillage plus simple.

Dans tous les

cas, le

probleme

des electrons

parasites

est

present,

aussi bien dans la

synthese

directe que par attache- ment

6lectronique

ou

photoionisation.

Pour elimi-

ner totalement les electrons on doit utiliser un

dispo-

sitif de

confinement,

s6lectif en masse, ne

gardant

que les ions. Ceci a pu etre effectu6 avec une cage de confinement

quadrupolaire [12].

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