ÉTUDE DE L'ÉMISSION CONTINUE INFRA-ROUGE D'UN PLASMA D'ARGON SOUS PRESSION

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ÉTUDE DE L’ÉMISSION CONTINUE INFRA-ROUGE

D’UN PLASMA D’ARGON SOUS PRESSION

J. Glasser, J. Chapelle

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Cl-256 JOURNAL DE PHYSIQUE Colloque Cl, supplément au n° 5, Tome 39, Mai 1978.

ÉTUDE DE L'ÉMISSION CONTINUE INFRA-ROUGE

D'UN PLASMA D'ARGON SOUS PRESSION

J. GLASSER et J. CHAPELLE

Centre de Recherches sur la Physique des Hautes Températures (C. N. R. S. Orléans) et Université d'Orléans, 45045 Orléans Cedex, France

Résumé. — L'écart de comportement des plasmas denses (nombre de particules dans la sphère de Debye Nv < 1) par rapport aux plasmas classiques (JVD > 1) a été évalué théoriquement jusqu'à présent à l'aide de corrections à la longueur de Debye. L'émission continue infra-rouge (5 n < X < 15 u) d'un plasma d'argon sous pression (1 < Jv"r> < 2), qui se relie directement à la longueur de coupure p du potentiel d'interaction électron-ion, a été mesurée. Les résultats expérimentaux ne mettent pas en évidence d'écart sensible par rapport aux plasmas classiques (p — AD) contrairement aux prévisions de certains auteurs.

Abstract. — The difference of behaviour between dense plasmas (number of particles in the Debye sphere NT, < 1) and classical plasmas (JVD ^> 1) has been estimated theoretically through corrections to the Debye length. The infrared continuum emission of an high pressure argon plasma (1 < Nv < 2) is related directly to the cutting length p of the electron ion interaction potential. Its measurement did not show noticeable divergence from the classical case (p = ID). This result is not in agreement with the prevision of some authors.

1. Introduction. — Les- écarts de comportement

des plasmas à forte corrélation par rapport aux plasmas classiques ont été estimés principalement du point de vue théorique, à travers la longueur de coupure du potentiel d'interaction entre particules chargées ; en effet, le potentiel créé à la distance r dans le plasma par un ion de charge e, peut généralement se mettre sous la forme :

V(r) = - i — e-r/fi

4 ns0r

où p est une longueur d'écran différente de la longueur classique de Debye AD qui perd son sens dans les

plasmas non idéaux ; actuellement des divergences importantes existent entre les diverses valeurs théo-riques ou expérimentales proposées dans la littérature pour p, qui peut être selon les auteurs supérieure (Kulik [1], Batenin [2]) ou inférieure (Mitchell [3]) a AD.

L'intensité du rayonnement continu de freinage électron-ion dont la mesure peut s'effectuer avec pré-cision permet de remonter à la valeur de ce paramètre de coupure par l'intermédiaire du logarithme coulom-bien ; dans ce but, nous avons étudié dans l'infra-rouge, l'émission continue (rayonnement de freinage électron-ion) d'un plasma d'arc sous pression dont le nombre d'électrons ND dans la sphère de Debye de

l'ordre de l'unité (1 < JVD < 2) correspond au domaine

frontière entre les plasmas classiques (iVjj |> 1) et les plasmas à forte corrélation (Nu -4 1) pour lequel

certains auteurs [2] ont déjà mis en évidence des écarts importants par rapport au plasma du type Debye.

2. Dispositif expérimental. — 2.1 GÉNÉRATEUR DE PLASMA. — Les plasmas d'argon sous haute pression (1 atm < p < 30 atm) permettent d'obtenir des den-sités électroniques élevées

(1 x 1017 c m- 3 < Ne < 5 x 1017 c m- 3)

à des températures relativement modérées (T ai 12 500 K) ce qui donne un nombre de particules dans la sphère de Debye de l'ordre de 1. Le plasmatron utilisé est du type arc transféré. Il fonctionne en continu avec, une alimentation en gaz par compresseur en circuit fermé, sous des puissances de l'ordre de 10 kW. C'est une source stable parfaitement adaptée à des mesures spectroscopiques précises. L'observation du jet se fait à travers une fenêtre en quartz d'un côté (pour

le diagnostic dans le visible du plasma) et de l'autre en NaCl (pour la mesure de l'émission infra-rouge). Ces deux hublots sont épais (10 mm) et fortement refroidis compte tenu des sévères conditions de température et de pression qu'ils doivent supporter.

2.2 DISPOSITIF DE MESURE (Fig. 1). — Dans le visible, on utilise un spectromètre à réseau du type Ebert Fastié, ayant un pouvoir de résolution A/AA ^ 80 000 suffisant pour résoudre dans de bonnes conditions le profil des raies de AI fortement élargies (plusieurs Angstrôms) par effet Stark. Dans l'infra-rouge, l'observation de l'émission continue du plasma se fait à l'aide d'un spectromètre à prisme en Cl Na. On évite la diffusion de la lumière visible et proche infra-rouge dans le spectromètre en interposant sur la fente d'entrée un filtre en germanium ; l'étalonnage en

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ÉMISSION INFRA-ROUGE D'UN PLASMA D'ARGON DENSE Cl-257

fenêtres

vers détection

FIG. 1. - Schéma du dispositif expérimental.

énergie dans l'infra-rouge se fait avec une bonne pré- cision à l'aide d'un bâtonnet de carbure de silicium (Globar) porté par effet Joule à T = 1 275 OC, dont la luminance dans ce domaine de longueurs d'onde est proche de celle du corps noir (coefficient dYémission0,9).

3. Diagnostic du plasma. Mesure de l'émission infra-rouge.

-

3.1 MESURE DE LA DENSITÉ ÉLECTRO- NIQUE ET DE LA TEMPÉRATURE. - Aux densités électro- niques élevées (Ne > 2 x 1017 cmp3), l'utilisation classique et commode de l'élargissement Stark des raies présente un certain nombre de difficultés ; en effet, l'auto-absorption devient importante et risque de modifier notablement la forme des profils des raies ;

par ailleurs, les raies très fortement élargies par effet Stark ressortent mal sur le fond continu et souvent se recouvrent.

Parmi les raies isolées de AI dont les paramètres d'élargissement sont bien connus, seule la raie 4 158

A

qui présente un maximum suffisamment intense par rapport à l'émission continue, peut être facilement uti- lisée sur tout le domaine de densité électronique exploré ; la présence de la raie voisine 4 164

A

qui la recouvre en partie peut être prise en compte, ces deux raies appartenant au même multiplet.

La distribution radiale de densité électronique est déterminée en valeur relative à partir de l'émission du fond continu visible non absorbé, proportionnelle au carré de la densité électronique et obtenue en chaque point du plasma par inversion d'Abel ; on remonte ensuite aux valeurs réelles en faisant coïncider le profil expérimental de la raie 4 158

A

de AI et le profil théo- rique calculé le long d'un diamètre en utilisant les para- mètres d'élargissement de Griem [4]. Cette méthode permet d'obtenir dans de bonnes conditions la densité électronique Ne en évitant la transformation d'Abel sur le profil d'une raie qui est toujours une opération longue et fastidieuse.

La température se déduit de la densité électronique en utilisant l'équation de Saha.

3.2 MESURE DE L'ÉMISSION CONTINUE INFRA-ROUGE.

Aux densités électroniques élevées, le rayonnement continu infra-rouge (il

>

5 p) est partiellement auto- absorbé par le plasma ; dans ce cas, la méthode de Bartels [5] permet de remonter à partir de l'intensité mesurée, au coefficient d'émission effectif local ; on utilise les expressions classiques. [6] des coefficients d'émission et d'absorption continue :

p : paramètre de coupure à déterminer. En posant

on obtient l'épaisseur optique z, au centre de i'arc :

Si 1, est l'intensité mesurée suivant un diamètre, on obtient à partir de la méthode de Bartels l'expression ci-dessous :

A partir des équations ci-dessus, on peut, en utilisant une méthode itérative, obtenir sur tout le domaine de longueur d'onde une valeur optimale de p au sens des moindres carrés ; il est important de noter que la pré- cision apparente sur p qui est médiocre à cause du logarithme coulombien est nettement améliorée par cette procédure. Bien qu'une estimation quantitative reste difficile, nous pensons que l'ordre de grandeur de la précision est celui de N:, c'est-à-dire 30

%,

que nous estimons très bon pour ce type de mesure. Sur la figure 2, on compare le coefficient d'émission expéri- mental déduit de la relation (2) au coefficient d'émis- sion. calculé à partir de l'équation (1) en prenant

p = (314 n)-lI3 N e 1'3 égale à la distance interparti-

culaire.

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J. GLASSER ET J. CHAPELLE P : 2 atm.

.

, -*..e : Theor. T:12500 K

--%.

-

m.?.

-

P: 20 atm.

----

P Z 2 atm.

'f-..~..

:

5 ' . . . 1 . 0 . . A,, -a-*:

4. Conclusion. - La figure 2 montre qu'en prenant

une longueur de coupure p égale à la distance inter- particulaire, on obtient sur tout le domaine de longueur d'onde et de densité électronique étudié un accord très satisfaisant entre la théorie et l'expérience ; il est important de noter que pour ces densités électroniques p est en fait très proche de la longueur de Debye 1,.

Nous n'avons donc pas mis en évidence de déviation sensible du paramètre de coupure pour des plasmas fai- blement non idéaux ( N D

=

1) par rapport aux plasmas classiques. Nous ne rejoignons pas en cela les conclu- sions de [l], mais plutôt celles de Gauthier et al. [8]. La mesure de l'émission infra-rouge nous paraît

FIG. 2.

-

Comparaison théorie-expérience pour le coefficient une méthode intéressante pour recouper d'autres types d'émission continue infra-rouge. de mesure, notamment celle de la conductivité élec- trique, qui est très largement utilisée pour l'étude des plasmas à fortes corrélations ; d'autre part, le généra- Les valeurs des sections de chocs Q sont données teur de plasma mis au point permet d'étudier différents par Devoto [7]. La correction correspondante reste phénomènes (élargissement des raies, émission et inférieure à 12

%

du coefficient d'émission total et ne absorption continue) dans un domaine de densité élec- nuit que très peu à la précision des mesures. tronique assez rarement exploré.

Bibliographie

[l] KULIK, P. P., AIAA, 9th Electronic Propulsion Conf., [SI LOCHTE HOLTGREVEN, W., Plasma diagnostics (North no 72-414 (1972). Holland) 1968.

[2] BATENIN, V., MINAEV, P., High Temp. 9 (1971) 676. [6] CHAPELLE, J., Thèse, Paris (1967). [3] MITCHELL, D. J., MINHAM, B. W., Phys. Rev. 174 (1968) 280. [7] DEVOTO, R. S., Phys. FIuids 16 (1973) 616.

[4] GRIEM, H. R., Spectral Line Broadening by Plasmas (Aca- [8] GAUTHIER, J. C., DELPECH, J. F., Phys. Fluids 18 (1975)