SCIENCES PHYSIQUES DOCTEUR UNIVERSITE POITIERS

(1)

Soulenue le 9 Décembre 1974 devant la Comrmssion d Examen:

PHYSIQUES POITIERS

DE

Par

SCIENCES

Présentée

"'aan MACHET

AL' UNIVERSITE

PRESIDENT: M. E. GRAY UntversI te de POITIERS

EXAMINATEURS: MM. M. COTTE Umv ersrte dý PARIS VI

G· GAUTHERIN UnIversIte de PARIS XI

J.F.JOLIET Umvers ù« _de LIMOGES

R. VAUTHIER ümv ersu« de POITIERS

Pour obtenir le grade de

Réalisation d'une source d'ions a confinement magnétique et à extraction axiale.

Applications:-Etude des instabilités perturbant son fonctionnement

-Production d'ions multichargés.

DOCTEUR ES

A.O. du C.N.R.S: 10.709

(2)

d'ordre : 202 A.a. du C.N.R.S: 10.709

THESE

Présentée

AL' UNIVERSITE DE POITIERS

Pour obtenir le grade de

Réalisation d'une source d'ions à confinement magnétique et à extraction axiale.

Applications:-Etude ^des instabilités perturbant

son fonctionnement

DOCTEUR ES SCIENCES

Par

"ean

MACHET

PHYSIQUES

Sou'enue ^le ⁹ ^Decembre ¹⁹⁷⁴ ^devant ^la ^Comm;ss;on ^d Exam.,.:

-:.. ^' ..

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ýý.\:^.. ^PRESIDENT: ^M. ^E. ^GRAY ^Unlvers;,é ^de ^POITIERS

EXAMINATEURS: MM. M. COT TE Unlvers"e dý PARIS V,

G· GAUTHERIN Un,vers"e de PARIS X,

J.F.JOLIET Un,vers"e de LIMOGES

R. VAUTHIER Un,vers,'ý de POITIERS

(3)

A.O. du C.N.R.S: 10.709

THESE

Présentée

Soutenue ^le ⁹ ^Décembre '974 devltnt lit Commission d E"" men:

EXAMINATEURS: MM. M· COT TE Université dý PARIS VI

G· GAUTHERIN UnIversIté de PARIS XI

J.F.JOLIET Université de LI/WOGES

R. VAUTHIER U"'verSllý de POITIERS

de

PHYSIQUES POITIERS

UnIversité de POITIERS

Par

"aan

MACHET

Pour obtenir le grade

AL' UNIVERSITE DE

PRESIDENT: M. E. G R A Y

Réalisation d'une source d'ions _à confinement magnétique et à extraction axiale.

Appllcations:-Etude des instabilités perturbant

son fonctionnement

DOCTEUR ES SCIENCES

(4)

Directeurs des Unitýs d'Enseignement et de Recherche

Professeur de Physique Professeur de Botanique Professeur de Chimie

Professeur de Biologie Animale

Professeur de G4ologie et Min4ýaLogie Professeur de Physique

Professeur de Physique

Professeur de Chimie Biologique Professeur de Mécanique

Facultý des Sciences Exactes et

Naturelles

Facultý Sciences Fondamentales et

Appliquýes

Institut des Sciences et Techniques Professeur honoraire à la Sorbonno'?

Membre de l'Institut.

Professeur honoraire à la Sorbonne Membre de l'Institut

Professeur honoraire à la Sorbonne correspondant ^à l'Acadýmie des Sciences Professeur à la Sorbonne

Professeur ^à la Facultý des Sciences de Marsei l.l:e

Professeur à la Sorbonne Directeur honoraire à l'ENSMA

Professeur ^à la Sorbonne Professeur à la Sorbonne Professeur ^à la Sorbonne Professeur à la Sorbonne Professeur à la Sorbonne Professeur de Physique Professeur ^à la Sorbonne Professeur de Palýontologie Professeur de Zoologie Professeur de Palýontologie Professeur de Mýcanique Professeur de Physique

Professeur de Mathýmatiques

UNITES D'ENSEIGNEMENT et de RECHERCHE

"Sciences Exactes et Naturel-lee"

"Sciences Fondamentales et Appliquýes"

"Institut des Sciences et Techniques"

Doyens honoraires et anciens Doyens

J.M. BLANCHARD J. FORT

MM. C. MATHURIN

MM. CHARTIER Charles

GAVAUDAN Pierre

TABOURY

rsu»

LEGRAND Jean Jacques MATHIEU GiLbert

GRAY

ei-»

RIVAULT Rený

ROSENBERG Albert

LAURENT Paul

MM. E. PATTE

P. BROUSSE

N. MANSON

J. FORT

Professeurs honoraires

MM. FRECHET GARNIER BOULIGAND SOLEILLET ABELOOS

PONCIN AMIEL COTTE MAZET LESIEUR

CORABOEUF ZOUCKERMANN BROUSSE PATTE

DE LARAMBERGUE

(5)

MATHURIN Claude

EZRA Jacques DASTE Phi Lippe

GUTH Christian

BOSCHER Jean GOETHALS Raymond MAUREL Raymond

LAGARDE A lexis

BERNARD Miche l DE FOUQUET Jacques

BATAILLER ccl.lee

BLANCHARD Jean-MicheL

FORT Jacques CAISSO Jules

BOUROT Joseph

DUPUIS Jacques

PEUBE Jean-Laurent

JACQUESSON Jean SCHREVEL Joseph

RENAULT Guy

DELEZE Jean-Bertrand

RACHMAN Abraham PICOT JuLes

THEOCARIS Périclès Mle POUSSEL Hýlène

PIMIENTA Jean

Mme DOLBEAULT Simone

BERNAT Pierre

HARDY Antoine

Mme MIGINIAC Lýone

PAYEN de la GARANDERIE Hugues

GALAND Gýrard GRILHE Jean

GOMEL Maurice

CAUBET Jean-Pierre

Mle CORCUFF Yvonne

JACQUESY Jean-Claude MARTINET Jean

MIGINIAC Philippe

GASC Claude MOINE Pierre

LUBOCHINSKY Bernard COINTOT Andrý

LE ROY Alain

SOUCHET Rený

ALZIARY de ^ROQUEFORT Thierrý

COUTANCEAU Jean

SERGERAERT Francis

LAZARD Daniel

Professeur de Mécanique Professeur de Mécanique Professeur de Mathématiques Professeur de Microbiologie Professeur de Paléontologie Professeur de Mécanique Professeur de Mécanique Professeur de Chimie Professeur de Mécanique Professeur de Chimie

Professeur de Physique ^- ENSý Professeur de Physique ^- IUT

Professeur de Chimie ^- IUT

Professeur de Mathématiques Professeur de Physique

Professeur de Mécanique Professeur de PédoLogie Professeur de Mécanique Professeur de Physique Professeur de Zoologie

Professeur de Mathématiques Professeur associé de Physiologie Animale

Professeur associé de Physique Professeur associé ^- ^ENSMA Professeur associé Mécanique

Professeur sans chaire ^- Physiologie Animale

Professeur sans chaire ^- Mathématiques Professeur sans chaire ^- Mathématiques Professeur sans chaire ^- Mathématiques Professeur sans chaire ^- Chimie

Professeur sans chaire ^- Chimie Professeur sans chaire ^- Physique Professeur sans chaire ^- Neurophy- siologie et Psychophysiologie

Professeur sans chaire ^- Physique Professeur sans chaire ^- Chimie

Professeur sans chaire ^- Mathématiques Professeur sans chaire ^- Physique

Professeur sans chaire ^- Chimie IUT

Professeur sans chaire ^- Mécanique Professeur sans chaire ^- Chimie

Professeur sans chaire ^- Mécanique IUT Professeur sans chaire ^- Physique

Martre de Conférences Chimie Biologique Martre de Conférences ^- Chimie

Martre de Conférences ^- Physique

Martre de Conférences Mathématiques ^ENSMA Martre de Conférences ^- Mécanique

Martre de Conférences ^- Génie Thermique IUT Martre de Conférences ^- Mathématiques

Martre de Conférences ^- Mathématiques

(6)

COLLIN Jean-Pierre

DUMARGUE Paul

Mme LEGRAND-HAMELIN Emmanue Lle RAIS Mustapha

SOLOMON Liviu HENRI Rený

BERNARD Claude GABILLY Jean

FROEHLY Claude GUISNET Michel PELECCUDI Christian

Maitres-Assistants Docteurs

Mme ARNAUDON Michý le

MM. AUZANNEAU Max BARON Yves

BESSON Jacques

BOUYER Roger

BRASSY Claude

BREGEON Bernard

BRISSON Paul

BUGNET Pierre

Mme COUTANCEAU MadeLeine

COUVERTIER Pierre

Mme DAUNAY Jacqueline

Mme DOFFIN Monique

DELAFOND Jacques

DESOYER Jean Claude

DORE Marcel

DUPUY Pierre

Mme GUILLAUME Irène Mle GRlMAUDEAU Jane

Mme GUILLOT Jane GUILLOT Jean-Paul

Mme LECLERCQ Ginette

LENFANT Jacques

LEOTY Claude

MANGIN Claude

Mme MATHE Eve-Line

MAUZE Bernard Mle MARCRAND Claudette

MELLIER ^André

MOCQUARD Jean-Pierr8

POLY Jean-Baptiste

SOUIL François

TROTET Gérard

Electricitý IUT

Mattre de Confýrences ^- Biologie cellulaire et gýnýtique

Mattre de Confýrences ^- Mýcanique IUT Anqoulème

Mattre de Conférences- Zoologie et

Biologie Animale

Mattre de Conférences ^- Mathýmatiques Mattre de Conférences ^- Mécanique IUT Mattre de Conférences ^- Thermodynamique

et Mýcanique des Fluides IUT

Mattre de Conférences ^- Physiologie Animale

Mattre de Conférences ^- Sc. Naturelles Mattre de Confýrences ^- Mécanique Appliquýe et Mýtallurgie IUT Angoulýme Chargý d'enseiýnement ^- Gýnie Chimique Mattre de Conrýrences associý M4can'l,que

Botanique Chimie Botanique Botanique Physique Chimie Chimie Zoologie Physique Mýcanique M4canique Physi.que Botanique Physique Physique Chimie Botanique Chimie Chimie Physique Physique Chimie

Sciences Naturelles Physiologie ^Animale Physique

Physique Chimie

Physiologie cellulaire Physique

Biologie Animale Mathýmatiques

Ch'l,mie

Biologie V4gýtale

(7)

Il _ fermte

Il Marie-Christine

(8)

ici le témoigna-

ge de ma profonde gratýtude.

Monsieur le Professeur GAUTHERIN a suivi avec intérêt le déve- loppement de cette étude. Sa trýs grande expérienceý ses conseils et les idées extrêmement fructueuses qU'il m'a suggérées ont été pour moý des plus profitables. Je le prýe de trouVer icý l'expression de ma profonde reconnaissance.

Monsieur le Professeur COTTE a accepté de Juger ce travaýl : sa haute compétenceý ses crýtiques autorýsées et ses suggestýons m'ont été précieuses pour une meilleure compréhensýon des phénomènes physýques étudiés. Je tiens à luý exprýmer ma respectueuse et sincère gratýtude.

Monsieur le Professeur GRAY m'a fait l'honneur de présider la

Commission d'Examen; _Je le prie d'accepter mes plus výfs remerciements.

Dans ces remerciements _Je voudrais réserver une place spéciale

à Monsieur le Professeur JOLIET. La confiance totale qu'ýl m'a toujours témoignée a été pour moi le plus grand réconfort moral. Sans l'aýde maté- rielle qu'il m'a prodiguée en mettant à ma dispositton une partýe des

locaux et des crédits de son laboratoireý _Je n'aurais Jamaýs pu poursuý- vre cette étude. Enfýn Je n'oublýe _pas qu'ýl a été pour moý un pédagogue modýle et qu'il a contrtbué à me faire mieux connattre et atmer le métier d'enseignant.

Je vou4rats remercier tous les techntciensý _que ce sotent ceux de l'atelier de mécantque de Limoges ou ceux du laboratotre d'Electroniqýe

de Poitiers, _qui ont cont.m.bué aVec dévouement et compétence à la réal.i e-:- tion matérielle de cette manipulatton. Qu'tl me sott permts de rappeler

le rôle particulier de Monsteur SARDAIN qUt ^a ^eu ^la lourde tâche de réaZý- sel' ou de contrôler l'éxécutton de toute la partie mécanique et celui dE

Monsieur J.P. CASTEIGNAUý technicien polyvalent d'une rare habtleté, ýý:

a contrýbué à la conceptton et à la réaltsation de nombreux dtSposýtýfs expérimentaux. Je voudrats associer à ces remerciements la société SOFýNCE : son Préstdent Dtrecteur Général et son personnel m'ont toujours réservé un accueil amical et m'ont permts de résoudre de noýbreý problýmes techniques délicats.

Madame BOUGAND du centre de calcul de Poitiers a assUMé grande conscience scýentýfique la mýse en forme et l'exploýtatioý grammes de calcul numériqueý Je týens à l'en remercýer.

J'ai _p lai ei» à assocýer à ce travail Monsieur VILLA:'7Pý:.<'· ý_.L.

sa aolZaboration ýcale et le soýn particulier qu'il a mis iaýs ý_ ýýý

duet-ion des figures de ce mém.n.re;

J'exprtme ausst mes remerctements à ma ferrme pour :e s.;:.ý -tý"

a apporté à la frappe ^et à la présentation de ce mémoire de mêne o:.'ý ^.'11. ^0-

sieurs DUPUY et LEBLANC qui ont assuré aVec dévouement le týrag¬

:e

^ýeý·-

leur possible.

Je réunis dans une même pensée amicale Jeanine GUILLE, Pierre SAULNIER et tous mes autres collýgues _que _je ne peux malheureusement _pas citer _quiý directement ou indireatement# m'ont _fait b4n4fioýý spontanl7"!rnt de

z.ý

collaboration.

(9)

Pages

LISR DES SYMOOLES

ýIS 1

CHAPITRE r - DE&:RIPl'IS DE lA sana ET DU DISPOSITIF EXPERIMENTAL 5

1.1. REALISATION DU CANON A ELECTRONS 5

1.1.1. Etude prélýna1re ₅

1.1.2. Réalisation expérýtale 7

1.1.2.1, Influence de l'échauffement ₇

1.1.2.2, Séparatlon des dlvers paramètres ⁸

1.1.3. Résultats expérýtaux 8

1.1. 4. Réalisation d'un canon avec une cathode à oxydes 9

1.1.5. Adjonction d'une lentille magnétique 10

1.1.6. Conclusion 10

1.2. CREATION, CONFINEMENT ET EXTRACTION DES IONS Il

1.3. DISPOSITIF ANALYSEUR 12

1. 3^.1. Electro-aimant 12

1.3.2. Collecteur d'ions 15

1.4. LES CIRCUITS DE POMPAGE 15

1.5. MONTAGE ELECTRIQUE 16

CHAPITRE II DETERMINATICN EXPERIMENTALE DES PARAMETRES-SClJR:E 17

2.1. DETERMINATION DE L'INTENSITE DU FAISCEAU ELECTRONIQUE

IONISANT ET DE L'ENERGIE DES ELECTRONS RAPIDES 18 2.2. DETERMINATION DE LA LONGUEUR DES TRAJECTOIRES ELECTRONIQUES 21

2.2.1. Topograp1ie du charrp magnétique 21

2.2.2. Détermination des trajectoires électroniques 23 2.2.2.1, Etude des trajectoires électroniques en

l'absence de tension d'extraction des ions 27 2.2.2.2, Etude des traJectoires électroniques lorsque

les électrons sont réfléchis 30

(10)

3.3. ETUDE EXPERIMENTALE DES OSCILLATIONS MOYENNE FREQUENCE 44 3.2. MISE EN EVIDENCE DES PHENOMENES PHYSIQUES IMPOSANT LES

DIFFERENTS REGIMES DE FONCTIONNEMENT DE LA SOURCE 41

3.4. ETUDE DE LA REPARTITION DE POTENTIEL A L'INTERIEUR DE

LA CHAMBRE 45

55 50 48

51

51 61 46 37 33

d'électrons rapldes

3. 4^.2. Rêparti t.aon thëor aque du potent^rel, crëë

par le fa1sceau d'êlectrons rapides

3.4.3. Etude de la var1atlon d'ênergie des ions au marnent de la d1scont1nu1tê

3.4.4. Etude de la rêpartit10n radiale de potentiel ^à l'aide d'une sonde de Langmuir

2.3.2. Méthode d'étalonnage

3.1.1. Influence de la preSS10n 37

3.1.2. Influence de l'intensité du faisceau ionisant 38 3.1.3. Influence de l'énergie des électrons rapides 38 3.1.4. Influence de la tensaon d'extraction sur le courant,

aoruque extr^ai.t 39

3.1.5. Influence de la topographie du champ magnétique 39

3.1.6. Conclus1on 40

3.4.1. Ettrle du dédoublement des pics ⁴⁶

3.4.1.1, Influence de la pression 46

3.4.1.2, Influence de l'intenslté I- du faisceau

3.2.1. Changement de régime d'1onisation ⁴¹

3.2^.2. M:rlificat1on des conda^t ions d'extraction des ions

mise en éV1dence d'oscillations ⁴²

4.2. ETUDE DU MOUVEMENT COLLECTIF

4.1. ETUDE DU MOUVEMENT INDIVIDUEL DES IONS

3.1. ETUDE DE L'INFLUENCE DES PRINCIPAUX PARAMETRES MACROS-

COPIQUES ₃₇

CHAPITRE ^IV lN'l'E!RPRm'ATlOO DES OSCILIATlSS MJYENNES ý

CHAPITRE III gruoE EXPERIMENTALE DU FaCI'ISNEMENl' DE LA ý

(11)

CHAPITRE V - INTERPRETATlS DES OSCTI..IATISS BASSES FREýS 79

5.1. EVALUATION DES TEMPERATURES IONIQUE ET ELECTRONIQUE 80 5.1.1. Pr1ncipe de ^la détermination des températures

électron 1que^s ⁸¹

5.1.1.1, Méthode ^de Bohm 81

84

85

83 82 68

5.1.1.2, Méthode de Kagan

5.1.2. Détermination expérirrentale des températures électroniques

électronlque lonisant 68

4.3.2.2, Etude expérlmentale de la fréquence en

fonctlon de l'énergie des électrons ionisants 68 4.3.3. Mise en éV1dence de l'or1gine des oscillations 71

4.3.3.1, Etude de l'lnfluence d'un mauvais centrage de l'orlfice du dlaphragme d'entrée par

rapport à l'axe du faisceau 71

4.3.3.2, Etude du défaut de coaxialité entre les

dlfférentes bobines 72

4.3.3.3, ConclUSlon 73

4.3.4. Entret1en des oscillations 73

4.3.5. Varrat.tons des "press.ions-dascont.inui.të" en fonc-

tion de l'intensité du courant électronique 76 4.3.6. Variation de la "pression-discontinuité" en fonc-

tion de l'énerg1e des électrons rapides 77

4.3.7. Conclusion 78

4.2.2.1, Etude du champ créé en un point intérieur

à la répartition de charges 64

4.2.2.2, Champ créé en un point situé à l'exté-

YleUr de la répartition de charges 65 4.2.2.3, Influence du mouvement individuel sur

le mouvement collectif 65

5.2. MISE EN EVIDENCE DU ROLE DE CAVITE RESONNANTE JOUE PAR LA CHAMBRE

5.2. 1. Résultats obtenus avec le xénon

4.3. ETUDE EXPERIMENTALE DE LA NATURE ET DE L'ORIGINE DES

OSCILLATIONS MOYENNES FREQUENCES 66

4.3.1. Nature des osc1llat10ns 66

4.3.2. Vér1fication expérmentale de la relation donnant la fréquence

4.3.2.1, Etude expérlmentale de la fréquence en fonctlon de l'lntenslté du courant

(12)

95

98 94 91 87

88 89 88 87 87

99

108 101 101 102 103 104 105

111 6.3.7.2, Rapports d'abondance des ions argon

6.3.7.3, Rapports ^d.' abondance ^des ions. krypton 6.3.7.4, Rapports d'abondance dýs ions xénon 6.3.8. Conclusion

6.1.1.2, EJection d'un électron d'une couche interne

6.3.6. Influence de la polarisation relative des diverses électrodes

6.3.7. Abondance relatlve des ions multichargés des gaz rares

6.3.7.1, Etude ^des ions rnu1tichargés du néon 6.3.1. Camparalson des ýtensités des courants d'ions

multichargés obtenus dans les deux gamSs de fonctionnement de la source

6.3.2. Influence de la presslon sur la production des

ions multlchargés 96

6.3.3. Influence de l'lntenslté du faisceau d'électrons

rapldes ₉₇

6.3.4. Influence de l'énergle des électrons rapides (eV)

sur la créatlon des lons multichargés 98 6.3.5. Influence de la structure du champ magnétique

sur la productl0n des lons multichargés 6.1.2. Ianlsat10ns successives

6.1.1. Ionisat1on _par _impact électronique unique 6.1.1.1, Ejection directe d'un ou plusieurs

électrons

6.2. DIFFERENTS TYPES DE SOURCES A CONFINEMENT 6.1. PROCESSUS DE FORMATION D'IONS MULTICHARGES

6.3. EXPOSE DES RESULTATS EXPERIMENTAUX CONCERNANT LA

PRODUCTION D'IONS MULTICHARGES

BIBLlOORAPHIE

CHAPITRE VI ^- APPLICATICN DE lA SOOR:E A lA PROOUCl'ICN D' ICNS ýTICHAR;ES

CCH:WSICN

(13)

Al première anode du canon ^à électrons

"

bobine de focalisation ;

chambre d'ionisation;

collecteur ^du courant ionique global cathode du canon ^à électrons

collecteur ^des ^ions analysés deuxième

électrode d'extraction des ions;

valeur absolue ^{de la} charge de l'électron;

tube de "glissement" reliant le canon ^à électrons à la chambre e

G

a rayon moyen du faisceau dans la chambre d'ionisation;

B induction magnétique en un point de l'axe de la source

B induction magnétique régnant dans l'entrefer ^de l'électro-aimant Bl, B2 ^: bobines créant le champ magnétique de confinement;

D'une manière générale, ^les symboles seront affectés du signe ⁺ ou ^- en exposant, suivant qU'lls se rapportent respectivement à des ions ou à des électrons.

A potentiel vecteur

Nous ne rappelons pas les diverses notations utilisées, momenta- nément, au cours des démonstratlons mathématlques et qui seront définies au moment de leur lntroductlon.

Nous n'indiquons que les symboles représentant des grandeurs

physiques couramment utilisées ou désignant les parties les plus importantes du montage. Leur signification sera rappelée chaque fois qu'ils seront introduits pour la première fois dans un chapitre.

(14)

m masse de l'électron

traction des ions ;

tension d'accelération ^des électrons rapides tension d'extraction ^des ^ions

tension de poLarⁱ sa't i.on appliquee sur le diaphragme ^d' ^enta ^r.:

de la chambre mesurée par rapport ^à cette dernière ;

vp

V potentiel sur l'axe de la chambre dû au champ de fuite d'ex-

o

V potentiel electrostatique

R. longueur du trajet "aller" des electrons ionisants dans ^Is.

chambre ;

M masse atomique

m+ masse des ions

1 _s intensite du courant traversant une sonde de Langmuir

J densite de courant du faisceau electronique ionisant ;

R rendement de transmission ^{de la} source, egal ^au rapport du s

nombre d'ions collectes par unite de temps au nombre d'ions crees par unite de temps dans ^la chambre ;

l _ex intensite du faisceau electronique pené'trant dans la chamLr"

et sortant de cette dernière lorsque l'on n'applique aucune tension d'extraction des ions;

1+ intensite totale du courant d'ions crées 1+_ex intensité du faisceau d'ions extraits;

in+ intensité du faisceau d'ions ⁿ fois charges et réfléchi

no nombre de neutres par unité de volume dans la chambre

P pression régnant dans la chambre d'ionisation

s

01' 02 ^: diaphragmes d'entrée et de sortie de la chambre

q charge électrique portée par ^une particule electrisée quel- conque

(15)

T- temperature électronique

W- énergie des électrons rapides ;

Vp fréquence plasma des ions ;

t angle du secteur magnétique

, potentiel électrostatique de charge d'espace;

,_s potentiel appliqué à la sonde de Langmuir (mesuré par rapport à la chambre) ;

'f potentiel flottant (sonde de Langmuir) 'e potentiel d'espace (sonde de Langmuir)

w+_p pulsation d'oscillation plasma des ions;

w+c pulsation cyclotronique des ions ;

wp pulsation d'oscillation plasma ^des electrons;

w-c pulsation cyclotronique des électrons ;

p densité totale de charge;

p densité de charge des électrons rapides ;

(p-}t: densité de charge ^des électrons lents ^., p+ densité de charge des ions ^.,

a section efficace totale d'ionisation n+ section efficace partielle d'ionisation.

a

(16)

Dans de nombreux domaines de la recherche fondamentale, de même qu'en recherche appliquée, l'utIlisation des ions se développe de plus en plus. Or, chaque type d'expérience ou d'application requiert des caractéri3- tiques précises _{de la} source qui doit donc être choisIe en conséquence. La construct ion de sources ^d' lons de hautes performances fait donc, de pl us er.

plus, ^l'cbj et de travaux nombreux. Parmi les domaines d'utilisatIon q ua on' entraîné les développements les plus Importants depuis une dizaIne d'annéeý nous pouvons cIter ^:

- la fusion thermonucléaire contrôlée

- la physique nucléaire _;

- l'implantatIon Ionique et la production de dépôts.

La fuslon thermonucléaIre contrôlée exige la productIon de plasmhý de températures très élevées. Une des méthodes qui tend à se développer ^pOLý' obtenir de telles températures consiste à anj ect.er- dans le plasma des ne utⁱ ^,.:' de grande énergie. Ces neutres sont obtenus par neutralisation de faisceam:

d'ions. Dans ce but de nombreuses équipes de chercheurs essaient de mettre ý.

point des sources d'ions posItIfs ou négatifs fournlssant des courants ^d'ir.- tensité et d'énergle aUSSl élevées que possible. On obtient aInSI des soure' ý

délIvrant des courants d'Ions positifs d'IntensIté largement supérIeure à l'ampère (20 A) avec des êne _rgi e s de plusieurs ^dⁱ ^{z a} i.nes de k. eV, /1.1/. Les performances sont plus modestes ^avec les sources d'ions négatlfs. /1.2/.

En physique nucléaire ^les études des réactions dues à l'lmpact de particules accê Lêr êes _{sur une} cible étaient faites surtout avec des ^ê Lectrcn s

et des ions legers ^à structure simple, ^ceci ^à cause d'une interprétation re:q- tivement faclle des résultats. Elles sont reprises actuellement avec des ICýý lourds de grande énergle. L'obtention de ces lons conduit au développement ^:.>

deux types de sources ^:

- les sources d'ions negatifs utilisees dans les acc^ê Lê_r-ateur s

type tandem

- les sources d'ions multicharges ^: ^ces ions sont aussi des- tiný8 ^ý être introduits dans ^les accê Lêr-at _eurs de particules où le gain ^d' e,:·

(17)

gie par intervalle accelerateur est proportionnel au degre d'ionisation.

Quant à l'implantation ionique et la production de dépôts, cond.v ^-

te;:rs ou isolants, elles permettent des progr-ês _rapides et considérables ^':f:

microélectronique.

Au départ, c'est cette dernière application qui nous intéressair et notre but etait de construire une source destinée à la production et à l'étude des depôts métalliques. Cependant, rapidement nous avons été amen' à abandonner, momentanement, ce projet. En effet pour que cette source puisse presenter en elle-même un certain interêt, elle devait avoir des performances meilleures, ou tout au moins equivalentes ^à celles offertes par les sources qui existaient au moment où nous avons entreprIS ce travaý en particulier en ce qui concernait l'intensité du courant ionique extrai+

et les qualités optiques de ce faisceau. A cette époque deux types ^de ^SOU'"

etaient particulièrement étudiés, et le sont d'ailleurs toujours, les PIG le duoplasmatron. Il nous est apparu rapidement qu'il serait difficile ^d' tenir des performances supérieures sans moyens matériels considéra"les et

surtout sans une experience importante dans ce domaine. Après une étude b ^ýr ýi "- graphique approfondie, nous nous sommes rendu compte que les P, énomènes mý.'

en jeu dans une source étaient nombreux, complexes et d'une manière générýý·

mal connus. Bien souvent le choix d'un type ^de source et son perfectionner· ^-r.^t s'effectuent de façon empirique.

Nous avons alors dêc i dê de ne pas chercher ^à obtenir syst.êmat _{i qi.c-} ment des performances importantes, notamment en ce qua concerne ^l' intensi⁺ ^,/, des courants ioniques extraits. Nous avons surtout entrepris ^des travaux ^c"

physique fondamentale en vue de tenter d'expliquer les mecanismes qui intéý'- vienn.:nt dans le fonctionnement des sources. Dans ce but nous avons cons^t rc ^:^t une source où les paramètres macroscopiques ^sont aussi accessibles que ^POf- sible ^à la mesure directe et indépendants les uns des autres.

Nous devons préciser, tout ^de suite, que si nous avons ^à peu pr?' reussi dans cette première phase, nous n'avions pas prevu tous ^les phênomê n->.:

secondaires qui allaient se produire ^à l'intérieur de la source. Souvent ^Ct ^':' phenomènes, en particulier ^les instabilités, modifient completement l'actiý::

des paramètres classiques. Leur etude n'a donc pas pu être ^SUI vie comme ne'^L'

aurions pu le faire avec ^un montage construit spécialement dans ce but.

Enfin, parallèlement ^à ^ce travail, nous avons essayé ^de voir ^S1 notre source pouvait être adaptee ^à ^la production d'ions multicharges.

(18)

Dans la mesure du possible nous nous sommes donc efforcé de prevoir des valeurs des paramètres-source compatibles avec lý production de ce type d'ions.

Le montage que nous avons realise est base sur le prlnclpe ^SU1- vant ^: un faisceau electronique, produit par un canon auxiliaire, bombarde une clble gazeuse maintenue dans une enceinte cylindrique ^à pression cons- tante et mesurable. L'axe de cette chambre coincide avec celui du faisceau.

Un champ magnetique, de revOlUtlOn autour de l'axe de la chambre, confine le falsceau d'electrons rapides et le milieu ionise dans un volume aussi restreint que possible.

Dans l'etude qui va SUlvre, nous decrirons d'abord le montage experimental qUl comprend trois parties principales ^:

- le canon à electrons ;

- la chambre à ionisation et le dispositif de confinement ;

l'analyseur magnetique qui permet de séparer et d'etudier les differentes sortes d'ions crees.

Ensuite nous indiquerons comment nous avons reussi ^à separer et à evaluer les paramètres macroscoplques qui imposent, ^à première vue, le fonctionnement de la source, à savoir:

- l'intensite du faisceau electronique et l'énergie des électrons ionisants

- la trajectoire des electrons rapides ;

- la pression dans la chambre d'ionisation

- la topographie ^du champ magnetique.

La troisième partie ^{de ce} travail sera consacree ^à l'etude experimentale de l'influence de ces paramètres ^{sur le} courant ionique extrait.

Les résultats obtenus, ^qui montrent l'apparition de discontinuites importantes dans ce courant, nous ^ont amene ^à diviser le fonctionnement de la source en deux grands domaines. Ces domaines ^sont caracterises par la presence d'CýCll- lations coherentes ^de frequences différentes perturbant notablement le fonctionnement de la source.

Dans la quatrième partie nous etudierons théoriquement ^les oscillations de frequence ^la plus elevee ^(de l'ordre du MHz). Nous essaierons d'en dégager la nature ^et l'origine. Entin nous comparerons les rEsultata thýori- ques et expérimentaux.

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Dans le chapitre suivant nous ýtudierons ^le deuxième régime ^de fonctionnement de la source. Nous montrerons que les oscⁱ Ll atⁱ ons qui ^pre·r.- nent naissance ^{sont des} ondes pseudosonores comme celles ^du réglme précé- dent, mais d'origine et de vitesse de phase différentes.

Nous consacrerons la dernière partie ^à l'étude de la productlon des lons multichargýs. En particulier nous essaierons ^de dégager les meilleures conditions d'obtention des ions de degrý ^de charge aussi élevé ^que possible.