Étude de faisceaux d'ions en présence d'un champ magnétique uniforme

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Submitted on 1 Jan 1965

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Étude de faisceaux d’ions en présence d’un champ magnétique uniforme

M. Perulli, C. Etievant, E. Lutaud

To cite this version:

M. Perulli, C. Etievant, E. Lutaud. Étude de faisceaux d’ions en présence d’un champ magnétique uniforme. Journal de Physique, 1965, 26 (8-9), pp.493-496. �10.1051/jphys:01965002608-9049301�.

�jpa-00206011�

avec la longueur d’onde, mais il faut signaler que l’imission commence un peu ^avant le claquage, d6fini, rappelons-le, par l’instant d’absorption plus

ou moins brutale du faisceau, ^et que le temps de

montie augmente lorsque ^la pression ^{croit ou} que l’intensité du faisceau ^diminue. Lorsque l’on vise à

pression, energie ^et longueur ^d’onde constantes des

points 6loign6s ^{de 1’axe} optique, ^{on constate} que le temps de passage par le maximum ^est retardé

(fig. 3b), a peu pres proportionnellement ^{a la dis-}

tance. Si l’on explique ^ce retard par ^une expansion

du plasma, ^{on en d6duit une} vitesse radiale de 13 km/s.

Si l’on vise suffisamment loin de 1’axe (0,8 mm),

on observe ( fig. 3c) l’apparition d’un second maxi-

mum qui peut ^etre plus intense que le premier ^et

est d4cal6 de 150 ns. L’allure du spectre ^{6mis a cet}

instant n’est _pas modifi6e (fig. 3a).

IV. Conclusion.

Ainsi, 1’6nergie transport6e

par le faisceau ^{se trouve} absorb6e par le gaz des que ^son intensite d6passe ^{une certaine} valeur, ^il y ^a creation et expansion rapide ^d’un plasma ^{en meme} temps que souffiage ^{de celui-ci vers le} foyer. ^{II est} possible que le spectre ^{observe soit celui d’un}

corps noir mais pour s’en assurer il faudrait pousser les mesures vers les courtes longueurs d’onde, ^ce qui posera ^avec acuité Ie problème ^de I’£talonnage ;

inversement la production d’un continu intense et de courte duree dans la region ^{de Schumann}

serait fort appr6ei6e ^des sp6cialistes ^{de cette} region

et justifie ^un effort dans ce sens.

REFERENCE

[1] ^BRETON (C.), ^CAPET (M.), ^CHALMETON (V.), ^NGUYEN QUANG (D.) et PAPOULAR (R.), ^{C. R. Acad.} Sc., Paris, 1965, 260, ^5731.

ÉTUDE DE FAISCEAUX D’IONS

EN PRÉSENCE D’UN CHAMP MAGNÉTIQUE ^UNIFORME

Par M. PERULLI, ^{C. ETIEVANT et E.} LUTAUD,

Groupe de Recherche de l’Association EURATOM-CEA sur la Fusion, Fontenay-aux-Roses, ^Seine.

Résumé. - Les mécanismes d’interaction d’un faisceau d’ions neutralisé et de deux faisceaux d’ions, symétriques, neutralisés, dirigés parallèlement ^{à un} champ magnétique ^sont discutés. Pour cela nous considérons la relation de dispersion ^{des ondes} électrostatiques ^à propagation oblique

dans les situations suivantes : 1) ^Un faisceau d’ions froids neutralisé par ^un gaz d’électrons froids

au repos. - 2) Influence d’un plasma ^froid.

3) ^{Rôle du terme} électronique. 2014 4) Expression

des relations précédemment ^{obtenues en tenant} compte d’une vitesse thermique perpendiculaire.

2014

5) ^{Cas de deux} faisceaux d’ions symétriques, neutralisés par des électrons ^au repos. Nous pré-

sentons des résultats obtenus dans l’expérience EOS construite pour l’étude ^{de ces} interactions dans les deux situations suivantes : a) ^un faisceau ; b) ^{deux faisceaux} symétriques.

Abstract. 2014 The mechanisms of interaction of a neutralized beam of ions and also of two sym- metric neutralized ion beams flowing parallel ^{to a} magnetic field, ^are described. The dispersion

relation for obliquely propagating electrostatic waves is considered in relation to the following topics.1. ^{A beam of cold ions} neutralized by cold ^{electrons at rest.}

^2. Influence of ^a cold plasma.

2014

3. Role of the electron term. 2014 4. Expression ^of the relations previously obtained, allowing

for a transverse thermal velocity. 2014 ^{5. The case of two} symmetric ^ion beams, neutralized by ^electrons

at rest. We present results obtained in the EOS experiment, ^{which was} set up to study ^{these inte-}

ractions for the following ^{cases :} a) ^one beam ; b) ^two symmetric ^beams.

LE JOURNAI, DE PHYSIQUE ^TOME 26, AOUT-SEPTEMBRE 1965,

1. Introduction.

L’objet ^{de cette commu-}

nication est de presenter ^une experience (dispo-

sitif EOS) ^{destin6e a} 1’etude de micro-instabilites .

en la presence de faisceaux d’ions. Deux cas ont ete étudiés :

a) ^{situation avec un} seul faisceau d’ions ; b) ^collision de deux faisceaux d’ions opposes.

Nous commencerons par exposer ^une discussion

th6orique simple des m6canismes pouvant appa- raitre dans ces deux situations.

2. Atude th6orique ^des oscillations d’un syst6me

d’ions neutralises.

Nous nous proposons d’étu- dier la relation de dispersion ^{des ondes électro..}

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01965002608-9049301

statiques a propagation oblique dans les situations suivantes :

1. UN FAISCEAU D’IONS FROIDS NEUTRALISE ^PAR

UN GAZ D’ELECTRONS FROIDS AU REPOS.

La relation de dispersion ^{s’ecrit :}

La courbe representative ^{de cette relation montre}

l’existence d’un domaine instable tres large ^{dû a}

un couplage ^{entre le}

^mode plasma o des electrons et les « modes propres » du faisceau.

Le taux de croissance de cette instabilit[ est maximum pour des valeurs de Jte(co) proche ^{de la} f requence

plasma

^des electrons, ^{et d6crolt} rapi-

dement lorsque ^la propagation ^devient perpendi-

culaire.

2. INFLUENCE D’UN PLASMA FROID. - La rela- tion de dispersion prend ^{alors la forme :}

Dans ce cas apparaissent deux domaines ins- tables :

Le premier ^{est encore du a un} couplage ^entre

les

modes propres

du faisceau et le

mode

plasma

des electrons.

Le second, ^{est du a un} couplage ^entre les « modes propres

du faisceau et le

mode cyclotronique

du plasma. ^{Ce dernier m6canisme} pourrait ^6ven-

tuellement expliquer ^les oscillations cyclotroniques

dont les observations sont d6crites plus ^loin.

3. ROLE DU TERME ELECTRONIQUE.

^{11 est à}

remarquer que des electrons peu chauds (10 ^à

100 eV) ^ont des vitesses thermiques ^de l’ordre de la vitesse dirig6e d’un faisceau d’ions dont 1’energie

est comprise ^entre 0,5 ^et 2,5 ^{keV. Ceci montre} que la temperature electronique joue ^{un role} important.

Aussi akons nous exprimer ^{le terme} 6lectronique

dans deux situations differentes :

La fonction de distribution des electrons 6tant

maxNi ellienne Ie terme 6lectronique ^{s’ecrit :}

(Nous suivons les notations de Stix : The theory

of plasma ^waves, chapitre 8.)

Les 6leetrons, ^{dans nos} conditions exp6rimen- tales, ^{ont un} rayon de ^Larmor suffisamment petit

pour que ^l’on puisse ^ne prendre que le terme n

0 dans le d6veloppement (3).

a) Si les electrons ont une vitesse thermique ^infe-

rieure a la vitesse dirig6e ^du faisceau le terme 6lee-

tronique ^{s’ecrit :}

Au coefficient e-À IO(X) pres, qui ^{est un nombre}

inférieur a I’unité, ^nous retrouvons Ie terme elec-

tronique ^des paragraphes ^{11-1 et 11-2.}

b) Si les electrons ont une vitesse thermique sup6rieure ^a la vitesse dirig6e ^du faisceau, ^la partie

r6elle du terme 6lectronique ^{s’ecrit :}

Ce terme est essentiellement positif. ^{Pour w} reel, ^la partie r6elle de la relation (2) ^{dans Ie}

domaine des basses frequences prend ^{la forme :}

Nous sommes ramen6s a la relation d’un _sys- t6me

faisceau plasma » ^dans laquelle ^{la cons-}

tante 1 est remplac6e par la ^constante A, ^{dont la}

valeur est li6e a la temperature des electrons.

4. EXPRESSION DES RELATIONS (1), (2) ^ET (6)

EN TENANT COMPTE D’UNE VITESSE THERMIQUE

PERPENDICULAIRE.

Harris [1] ^{a montre} qu’il

était possible, ^{dans une assembl6e} maxwellienne de la forme :

de pr6voir des domaines instables a des frequences proches ^{de nmc} lorsque la vitesse thermique per-

pendiculaire ^{est tres} sup6rieure ^a la vitesse ther-

mique parall6le.

Dans le cas d’un faisceau d’ions neutralise un

tel r6sultat est directement applicable. Mais Harris n’a pas évalué le ^taux de croissance de ces insta- bilit6s ce qui ^ne permet pas de conclure ^sur la validite de ce mod6le.

5. CAS DE DEUX FAISCEAUX D’IONS SYMETRIQUES

NEUTRALITSES PAR DES ELECTRONS AU REPOS.

, Il ressort des calculs effectues, que si la propagation

n’est pas presque perpendiculaire, ^seul apparait

un domaine instable dont le taux de croissance maximum est proche ^{de la} frequence plasma ^des

electrons. Par contre lorsque ^la propagation ^est

presque perpendiculaire, ^ce domaine tend a ^se

rapprocher ^{de la} frequence ^{6)ci, mais de} plus, apparait ^une instabilite double faisceau dont la

f requence ^est voisine de co,i/2.

III. Résultats expérimentaux.

a) ^DESCRIP-

TION DE L’EXPERIENCE.

Une chambre d’inter- action de 1,50 ^{m est termin6e a} chaque ^extremite

par ^une colonne de pompage de 500 1/s. ^{Un sol6-}

noide de 1 m de long permet ^de produire ^un champ magn6tique longitudinal, homog6ne (sur ^{I’axe a}

1 % pres ^{sur 70} cm).

Aux extrémités de la chambre sont dispos6es

FIG. 1

Instabilite d’un faisceau d’ions. Variation de deux frequences ^{instables en} fonction du champ magn6- tique.

deux sources d’ions du type Penning. L’intensit6 des faisceaux varie de 1 a 7 mA, ^leur energie ^est

de 0,4 ^a 2,5 ^{keV et} leur diam6tre est de l’ordre de 2 a 4 cm.

b) EXPERIENCES AVEC UN SEUL FAISCEAU.

Pour des intensités de champ magn6tique ^variant

FIG. 1 b.

Spectre ^{entre 0 et 11} Mc/s d’un faisceau

d’energie 0, 5 keV.

FIG. 1

Observation de la variation du spectre ^entre

10 et 25 Mc/s ^{en fonction du} champ magn6tique pour

un faisceau d’6nergie 2,5 ^keV.

de 4 a 7,1 kilogauss ^{et des} energies ^du faisceau de

0,4 ^a 2,5 ^{keV nous avons} observe : 1) ^un bruit dans la bande 0 a 2 Mc/s.

2) ^des raies, fines, ^{de forte} amplitude ^{a des fr6-}

quences voisines de ^nCùd (n = ^{1 a} 6). ^{Sur la} figure 1,

nous avons represente la variation de frequence

de deux raies en fonction de l’intensit6 du champ magn6tique. ^Les points experimentaux ^{sont situ6s}

sur les droites m

nmcH/ ;

3) ^{un bruit} duquel emergent ^{des raies} larges

dans une bande de frequences comprise ^entre 20,

et 100 Mcs environ.

c) EXPERIENCES AVEC DEUX FAISCEAUX.

L’in- tensite du bruit collecte est beaucoup plus ^6lev6e

avec deux faisceaux (20 ^{a 30} db). ^Nous retrouvons,

dans ce cas, les:domaines:(1) ^et (3) ^du paragraphe

precedent, mais il n’a jamais ^ete possible ^d’observer

496

de raies a des fr6quences ^{voisines de Mci ou de}

wi; /2.

IV. Conclusion.

a) ^{CAS D’UN} SEUL FAISCEAU.

-

Des oscillations ont ete observees aux harmo-

niques ^de CJ)cH: (n ^« 6). ^Les m6canismes discutes

aux paragraphes ^{11-2 et 11-4} permettent ^de pr6voir

de telles interactions. Des mesures plus ^raffin6es

des distributions de vitesses des faisceaux devront etre effectu6es pour pr6ciser ^{le role exact de chacun}

de ces m6canismes.

b) ^{CAS DE DEUX} FAISCEAUX.

L’accroissement

important (20 ^{a 30} db) ^de l’amplitude ^{du bruit} engendré dans les bandes : 0-2 Mc/s ^{et 20-100} Me/s,

traduit une forte interaction des deux faisceaux.

Toutefois la disparition ^des oscillations monochro-

matiques ^aux harmoniques ^de wOCH+ ^{et en d6sac-}

cord avec Ie modele th6orique discute. La temp6-

rature ionique qui n’avait pas ete prise ^{en consi-}

d6ration dans ce modele peut ^{en etre} l’origine.

FIG. 2.

Instabilite d’un faisceau d’ions. Analyse ^du

bruit pour ^un champ magn6tique ^{de 6 700 Gauss.}

FCH+ -- ^{5,2 Mc/s,} Fc,+

^{10,2 Mc/s.} Faisceau : energie, 2,5 keV ; courant r--- 2 mA.

BIBLIOGRAPHIE

[1] HARRIS, The electron cyclotron instability rapport GA-5581, août 1964.

PROPAGATION D’UN PLASMA LE LONG D’UN CHAMP MAGNÉTIQUE ^EN RÉGIME PULSÉ Par F. BOTTIGLIONI, ^J. COUTANT, ^E. GADDA , ^{et F. PRÉVOT}

Groupe ^de Recherche de l’association EURATOM-CEA sur la Fusion, Fontenay-aux-Roses, ^Seine.

Résumé. 2014 La décharge est créée entre une cathode thermoémissive et une anode cylindrique

creuse. Une bouffée d’hydrogène ^est injectée ^{entre cathode et} anode, ^la pression atteignant ^{la valeur}

maximum de quelques ^10-3 mmHg environ, 15 ^ms après ouverture de la vanne rapide. ^Le plasma

formé diffuse dans un long ^{tube dont les} parois métalliques ^{sont au} potentiel d’anode. Le champ magnétique créé par six bobines présente ^{sur l’axe 5 minimums et 6} maximums dont les valeurs sont dans un rapport ^{de 2. Le} champ ^est réglable jusqu’à ⁴ kilogauss. ^Le gaz neutre est progressivement

éliminé par ⁵ pompes ^à diffusion situées entre les bobines, tandis que l’anode ^{creuse et 4} diaphragmes

limitent sa diffusion dans le tube. En outre, ^on peut augmenter ^fortement la vitesse de pompage le

long ^{du tube} par évaporation ^{de titane et} condensation sur une paroi ^{refroidie à l’azote} liquide.

Dans chaque compartiment, la densité du plasma ^{est mesurée} par des sondes de Langmuir, ^la

lumière émise, par des photodiodes, ^et la densité instantanée du gaz neutre par ^des jauges ^{à ioni-}

sation rapides, ^du type Penning. ^{On a obtenu deux} régimes ^de propagation : ^{dans le} régime A, la densité du plasma ^{ne diminue} pas lorsque le pompage ^au titane est ^en fonctionnement. L’émission de lumière et la densité du plasma ^{varient à} peu près proportionnellement ^au courant de décharge,

et le retard entre signaux reçus dans deux compartiments successifs est très inférieur à 1 ms. Dans le régime B, la densité du plasma est inférieure de plus d’un ordre de grandeur lorsque le pompage

au titane fonctionne. L’émission de lumière et la densité du plasma ^{ne sont} pas proportionnels ^au

courant de décharge. ^Le régime ^{A est} obtenu par ^une tension plus élevée, ^{un courant de} décharge

et une pression dans l’anode plus faibles, que celles dans le régime ^{B. Un bilan de} matière dans

chaque compartiment ^{et en régime} stationnaire peut ^rendre compte ^du profil longitudinal ^{de den-}

sité des deux régimes ^{et de} l’effet du pompage ^au titane. Les deux régimes ^de plasma ^{sont carac-}

térisés par des pertes transversales différentes, plus grandes ^{dans le} régime B que dans le régime ^A.

Des conditions différentes de la décharge ^il résulte, ^dans le régime B, qu’une ^fraction importante ^du plasma ^est produite par ionisation in situ du gaz ^neutre.

LE JOURNAL

PHYSIQUE TOME 26, AOUT-SEPTEMBRE 1965,