DÉTERMINATION DE LA DENSITÉ D'UN ARC A CATHODE CREUSE FROIDE

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Submitted on 1 Jan 1968

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DÉTERMINATION DE LA DENSITÉ D’UN ARC A CATHODE CREUSE FROIDE

E. Fabre, J. Maignan, P. Vasseur

To cite this version:

E. Fabre, J. Maignan, P. Vasseur. DÉTERMINATION DE LA DENSITÉ D’UN ARC A CATHODE CREUSE FROIDE. Journal de Physique Colloques, 1968, 29 (C3), pp.C3-119-C3-122.

�10.1051/jphyscol:1968330�. �jpa-00213568�

JOURNAL DE PHYSIQUE Colloque C 3, supplément au no 4 , Tome 29, Avril 1968, page C 3

-

D~TERMINATION DE LA DENSITÉ D'UN ARC A CATHODE CREUSE FROIDE

Laboratoire de Physique des Milieux Ionisés, Ecole Polytechnique, Paris (Equipe de recherche associée au C . N. R. S.)

Résumé. - Les arcs ^à cathode creuse ont la propriété de donner des densités électroniques éle- vées avec un degré d'ionisation du gaz de l'ordre de 90 % et plus. La présente étude aura pour but de déterminer la densité d'un plasma obtenu dans une machine du type ^à cathode creuse froide.

Abstract. - The hoiiow cathode arcs generally have high electron densities with an ionisa- tion degree of 90 per cent. In this paper an experimental measurement of density is made for the

n l a ~ m a nhtained in a hnllow cold cathode arc.

Le plasma étudié est produit dans une decharge réflexe fonctionnant en régime d'arc pulsé ; les métho- des de diagnostic feront appel essentiellement aux techniques d'interférométrie micro-onde et laser.

Description de l'appareillage. - Le dispositif expérimental utilisé est schématiquement représenté par la figure 1.

Il comporte une enceinte en pyrex (1) à l'intérieur de laquelle est maintenu un vide de torr par un groupe de pompage classique, deux anodes annu- laires (21, deux cathodes planes (3) opposées refroidies

par circulation d'eau. L'une de ces cathodes est munie d'une chambre à « ionisation » (4) axiale percée d'un orifice par lequel se fait l'injection de gaz.

Cette chambre à ionisation est mise en communi- cation avec un ballon de décompression rempli d'argon, par l'intermédiaire d'une vanne à action rapide commandée manuellement (Fig. 2).

Deux groupes de bobines symétriques refroidies par eau permettent de réaliser un champ magnétique statique ayant un rapport de miroir de 3,O. La valeur de ce champ au niveau des cathodes étant de 1 450 G, la figure 3 donne la variation axiale de B ainsi que la position des cathodes.

-

i m

;

;

Fonctionnement. - Une alimentation continue

ml

L'injection d'une bouffée de gaz provoque une prédécharge en régime d'arc avec un courant de l'ordre de l'ampère. Un tore placé dans le circuit de pré- décharge fournit une impulsion qui d'une part sert de signal de synchronisation et qui appliquée à un appareillage électronique donne une impulsion haute tension, d'autre part, celle-ci sert à actionner un

-

mliy mi

La libération d'une énergie de 2,5 kJ donne un courant crête de 8 kA. Une résistance de quelques centièmes d'ohm permet d'amortir la décharge qui a

FIG. 1. - Dispositif expérimental. alors une pseudo-période de 150 ps environ.

@ enceinte en pyrex, @ anodes, @ cathodes, @ chambre La figure 4 représente le schéma électrique de

à ionisation, @ bobines. l'ensemble.

4 L.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1968330

E. FABRE, J. MAIGNAN, P. VASSEUR

FIG. 2. - Vannc B action rapide montée sur cathode.

@ chambre a ionisation, @ cathodc, 8 entrée du gaz, ⁽⁴⁾ vanne,

a

Frc. 3. - Variation axiale du champ magnétique

@ position relative des cathodes.

Mesures. - A. INTERFEROMÉTRIE MICRO-ONDE [l].

- Nous avons réalisé le montage classique d'un banc interférométrique micro-onde (Fig. 5).

La figure 6 donne l'un des diagrammes obtenus.

On constate que pendant la prédécharge nous obtenons la coupure donc ne 3 n, = 7 x 1013 p . cm-3.

Le défilement des franges lorsque le plasma s'est complètement détendu dans l'enceinte permet d'ap- proximer la valeur de ne.

En effet, on sait que le déphasage d'une onde électromagnétique traversant un milieu d'indice N est

d est la distance parcourue par l'onde dans ce milieu A la longueur d'onde utilisée

R E T A R D

FIG. 4. - Schéma électrique.

FIG. 5. - Banc interférométrique micro-onde 4 mm.

@ carcinotron, 9 isolateur, @ ondemetre a absorption,

@ coupleur direct, cornets, @ lentilles, 3 atténuateur éta- lonné, @ déphaseur variable, @ Té, (IO) détecteur, (1 l ) oscil- loscope, (12) plasma.

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Fiü. 6. - Interférométrie micro-onde.

;I) courant de décharge, fd? franges détectées, balayage : 50 ps/cm.

or, N, indice du plasma est donné par la formule

avec

E,, = - 1

4 ⁷¹ pour nJn, << 1 on obtient

en fonction du nombre Ng de franges, on en déduit le produit :

On compte 12 franges, donc n e d = 6,72 x 1014 p.cm-2

On peut admettre que le déphasage du plasma lorsque sa densité est égale à la densité de coupure, est le même si les dimensions du plasma varient peu.

On en déduit, alors, le diamètre du plasma à la cou- pure, donc

Des photographies, prises à l'aide d'une caméra électronique ultra-rapide nous ont permis de détermi- ner le diamètre du plasma 50 ps avant l'apparition de la première frange :

si on admet qu'il n'y a aucune perte de particules et que la seule variation de densité est due à la détente radiale du plasma, on peut en déduire une valeur minorée de la densité n, à cet instant

B. INTERFÉROMÉTRIE LASER. - Le montage expé- rimental de l'interféromètre laser est montré en figure 7 . Nous utilisons un laser He-Ne à cavité plan sphérique Ml-M2 émettant une puissance de

FIG. 7. - Interférométrie laser.

<1) cathode a injection de gaz, 9 cathode, @ anodes,

@ hublots B incidence brewstérienne, @ miroir plan, @ miroirs sphériques, @ P. M., @ oscilloscope.

25 mW sur la longueur d'onde 6 328

A.

Boyd, Gordon et Kogelnik [2] ont montré que la condition de résonance d'une cavité plan sphérique

C 3 - 1 2 2 E. FABRE, J. MAIGNAN, P. VASSEUR pour le mode T. E. M. m. p. q. est

dans cette formule

c est la vitesse de la lumière ;

D est la distance des miroirs M,-M3 ;

R est le rayon de courbure du miroir sphérique.

Pour la présente manipulation nous avons choisi le rapport

Dans ces conditions, en posant

- 1 _{arc cos (1} - ^{2 0}

T)

2 n s 4

on obtient :

soit iin écart Af entre modes de

J. B. Gerardo et J. T. Verdeyen [3] ont montré que la valeur de s trouvée était effectivement égale au nombre de rayon lumineux dans la cavité M,-M,.

Donc, à une frange de modulation détectée corres- pond une valeur du produit

An, d = 4,43 x 1016 p .cm-' .

FIG. 8. - Interférométrie laser.

@ courant de décharge, franges détectées avec un P. M., balayage : 20 ps/cm.

La quantité de molécules injectées dans la machine est de l'ordre de 1018, ce qui donne une ionisation de 80 %.

Afin de déterminer n, avec plus de précision, une interférométrie laser utilisant les longueurs d'onde 1,15 p et 10 p est envisagée. Un essai d'étude spectro- scopique a été élaboré, mais ici les largeurs de raies observables étaient de l'ordre de grandeur de la fonc- tion d'appareil. Un autre appareillage mieux adapté permettra d'étudier le profil des raies.

Bibliographie

[l] PAPOULAR (R.) et BALAZARD (J.), Applications des ondes hyperfréquences et infrarouges à I'étude des plasmas, Dunod, Paris 1965.

Les diagrammes obtenus (Fig. 8) permettent de ^{[2] BOYD} (G. D.) and GORDON (J. P.), ⁽⁽ Confocal multi- mode resonator for millimeter though optical dénombrer en moyenne 3 franges ; le plasma ayant un wavelength masers ». Bell. S y r . Tech. J., 1961, diamètre de do = 3 mm, on en déduit : mars, XL, p. 489-509.

BOYD ( G . D.) and KOGELMK (H.), Generalized ne # 2 x 10'' p . ~ r n - ~ . confocal resonator theory », Bell. Sys. Tech. J.,

1962. iuillet. XLI. D. 1347-1371.

Conclusion. - La P. I. G. A cathode creuse froide ^[3] GERARDO .

i ~ .

quelque 10" ~ . c m - ~ . 69 7.