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Submitted on 1 Jan 1968
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COMPORTEMENT D’UNE SONDE A RÉSONANCE DANS DES PLASMAS DE FAIBLE DENSITÉ
J. Mouly, G. Blandy, C. Machu
To cite this version:
J. Mouly, G. Blandy, C. Machu. COMPORTEMENT D’UNE SONDE A RÉSONANCE DANS DES PLASMAS DE FAIBLE DENSITÉ. Journal de Physique Colloques, 1968, 29 (C3), pp.C3-73-C3-75.
�10.1051/jphyscol:1968317�. �jpa-00213555�
JOURNAL DE PHYSIQUE Colloque C 3, supplément au no 4, Tome 29, avril 1967, page C 3-73
COMPORTEMENT D'UNE SONDE A
RESONANCE
DANS DES PLASMAS DE FAIBLE DENSITÉ
J. M. MOULY, G. BLANDY, C. MACHU
Laboratoire d e Radioélectricité du C. N. A. M. 292, rue St-Martin, Paris 3'
Rksumé. - Nous avons réalisé deux enceintes à plasma pour comparer deux méthodes de diagnostic. La première renferme du césium qui s'ionise sur un filament, la seconde comporte deux cathodes creuses permettant de provoquer des décharges stables dans l'air. Les mesures des caractéristiques de plasma se font à i'aide d'une sonde de Langmuir à anneau de garde et d'une sonde haute fréquence. La comparaison des résultats est satisfaisante aussi bien dans le cas du césium que dans le cas de I'air ; cependant, les courbes de résonance préscntent, en général, plusieurs maxima dont les théories simples ne rendent pas compte.
Abstract. - To compare two methods of diagnosis, two plasma enclosures have been constructed.
The fùst encloses cesium which ionizes on one filament ; the second has two hollow cathodes to enable a stable discharge in air to be obtained. Measurements of the plasma characteristics are made by means of a Langmuir probe with a guard ring and a liigh frequency probe. Compa- rison of results is satisfactory for the case of cesium as well as for the case of air ; however the resonance curves show in general many maxima which are not explained by simple theory.
Nous avons entrepris l'étude d u comportement dc la sonde haute fréquence [ l , 2, 3, 41 dans deux types d e plasma :
- d'une part, un plasma d'ions alcalins, obtenu p a r diffusion d'ions césium et d'électrons à partir d'un fila- ment chauffé, bombardé p a r un jet de césium ;
- d'autre part, un plasma obtenu p a r diffusion à partir d'unc décharge gazeuse dans I'air.
Le montage permettant la réalisation d'un plasma d e césium d e faible densité, réglable, est représenté sur la figure 1. II reprend le principe d'une expérience de C. Peter, G. Müller et H. H. Rabben [5]. Un cylindre d e verre d e 15 cm d e diamètre et d e 40 cm d e long est divisé en deux régions par une grille dont le potentiel électrique est réglable :
- à droite, un filament chauffé est bombardé par un jet de césium. L'ionisation de contact 16, 71 et l'effet thermoélectronique fournissent les constituants d'un plasma qui diffuse ;
- à gauche, se trouve l'enceinte d e mesure. La sonde (Fig. 2) est une sphère creuse en cuivre d e 2 cm d e diamètre. Elle sert aussi d'anneau d e garde à la sonde d e Langmuir.
Les résultats obtenus sont satisfaisants ; la figure 3 en donne un exemple. La fréquence d e plasma déduite de
u
Four b a s Four h a u t
FIG. 1. - Production dri plasma de césium.
la caractéristiqu: d e Langmuir est 9,9 MHz, la lon- gueur d e Debye est de 3,36 mm. E n utilisant la formule
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1968317
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Sonde de LANGMUIR
1 3 ~ . 2. - Sonde doiiblc.
établie par Messiaen [2], on obticnt une fréquence théorique de résonance de 3,76 MHz contre une fré- quence mesurée de 3,l MHz. Par contrc, la frkquence d'antirésonance ne correspond pas à la fréquence de
FIG. 3. - Courbe de résonance d'un plasma de césium.
plasma. D'autre part, la fréquence de collision est v = 6,l MHz, le libre parcours moyen est de l'ordre de 5 cm.
La principale difficulté technologique qui retarde l'exploitation de ce montage réside dans le réglage du débit du jet de césium, qui conditionne le réglage de la densité du plasma réalisé. Le césium est produit dans un
four rempli d'un mélange de calcium et de chlorure de césilim [réaction de Hackspill [8]] à la température de 550 OC.
La figure 4 montre le schéma de principe et la réali- sation du montage permettant d'obtenir un plasma
i d \
&l u/ sonde
FIG. 4. - Schéma synoptique.
gazeux par diffusion à partir d'une décharge. La struc- turc utilisée est celle d'une décharge à cathode creuse dont les électrodes sont constituées par des grilles à mailles fines, à travers lesquelles le plasma diffuse.
Deux décharges se font face, sur l'axe horizontal du montage. Une colonne de plasma se forme alors sui- vant cct axe et le plasma diffuse dans toute l'enceinte avec une symétrie cylindrique. Les mesures peuvent s'effectuer en déplaçant les sondes supportées par des tiges isolantes suivant deux axes situés dans un plan perpendiculaire à l'axe supportant les deux décharges.
Nous pouvons alors balayer une large gamme de den- sité de plasma, soit en déplaçant les sondes, soit en faisant varier le courant de la décharge. La figure 5 donne un exemple de la distribution obtenue le long d'un axe situé dans un plan méridien du montage. Les mesures ont été faites avec une sonde de Langmuir plate de 2 mm dc diamètre pourvue d'un anneau de garde, et obtenue par dépôt électrolytique (couche de nickel de 6 à 8 p, recouverte d'une couche d'or de 4 y qui évite l'oxydation et assure une bonne conductivité électrique).
Nous avons entrepris une Ctude systématique du comportement de la sonde hyperfréquence dans cette
COMPORTEMENT D'UNE SONDE A RÉSONANCE C 3 - 7 5
1
lOA- v
O 2 4 6 8 10 12 f 4 16 18 20 2 2 c h distance d u cenfre FIG. 5. - Variation de densité n =: f ( r ) .
enceinte à plasma. La figure 6 montre un exemple de caractéristique obtenue ; la résonance intervient pour 17.5 MHz alors que le calcul [2] conduit à 14,l MHz.
La fréquence de collision cst de 3,l MHz, ce qui conduit à un libre parcours moyen de 7,4 cm. On constate tout d'abord que les fréquences de résonances obser- vées avec le plasma de faible densité et de faible tempé- rature sont de l'ordre de grandeur des fréquences de collision et aussi de l'ordre de grandeur des fréquences cyçlotroniqiies des électrons dans le champ terrestre (1,4 MHz). L'interprétation exige donc une formule plus évoluée de la constante diélectrique du plasma que celle utilisée pour les calçuls signalés précédemment.
On constatc ensuite sur la figure 6 un second pic de
résonance ; cc phénomène est très général et considéra- blement amplifié par une augmentation de la tension H. F. comme le montre la figure 7. On constate aussi que le premier pic s'élargit et qu'il apparaît une struc- ture fine que l'on peut attribuer aux phénon~ènes non
1
1 10 100
FIG. 7. -Courant détecté en fonction de la tension H. F.
linéaires qui se produisent aux amplitudes H. F. éle- vées. 11 n'en reste pas moins que le second pic peut trouver une interprétation dans le fait que la densité n'est pas uniforme et qu'elle n'a pas une répartition de symétrie sphérique autour de la boule. Les expériences de résonance d'un plasma considéré comme Lin diélec- trique [9, 101 ont toujours mis en évidence plusieurs pics de résonance. Nous poursuivons l'amélioration du montage expérimental pour tenter d'interpréter la structure observée et de déduire des paramètres de plasma plus nombreux que la densité moyenne.
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