MODIFICATION DE LA TEMPÉRATURE ÉLECTRONIQUE DU PLASMA D'UN LASER A HÉLIUM-NÉON SOUS L'ACTION D'UNE ONDE HYPERFRÉQUENCE DE PUISSANCE MOYENNE

HAL Id: jpa-00213570

https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00213570

Submitted on 1 Jan 1968

HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.

L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.

MODIFICATION DE LA TEMPÉRATURE ÉLECTRONIQUE DU PLASMA D’UN LASER A HÉLIUM-NÉON SOUS L’ACTION D’UNE ONDE HYPERFRÉQUENCE DE PUISSANCE MOYENNE

C. Vauge

To cite this version:

C. Vauge. MODIFICATION DE LA TEMPÉRATURE ÉLECTRONIQUE DU PLASMA D’UN LASER A HÉLIUM-NÉON SOUS L’ACTION D’UNE ONDE HYPERFRÉQUENCE DE PUISSANCE MOYENNE. Journal de Physique Colloques, 1968, 29 (C3), pp.C3-128-C3-131.

�10.1051/jphyscol:1968332�. �jpa-00213570�

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

-

MODIFICATION DE LA TEMPÉRATURE ÉLECTRONIQUE DU PLASMA D'UN LASER A HÉLIUM-N'ÉON

SOUS L'ACTION D'UNE ONDE HYPERFREQUENCE DE PUISSANCE MOYENNE

par C . VAUGE

Institut d'Electronique Fondamentale, Laboratoire Associé au C . N. R. S.

Faculté des Sciences, Orsay, France

Résumé. - Nous décrivons une méthode qui permet de faire varier la fréquence de collision effective des électrons, à densité constante, dans le plasma d'un laser à hélium-néon. Pour cela, une onde hyperfréquence de moyenne puissance (quelques watts) agit sur la colonne positive et chauffe le gaz d'électrons. Nous déduisons les variations de la fréquence de collision des mesures de la conductivité du plasma en continu ; l'accord avec les valeurs calculées est satisfaisant.

Abstract. - A method is described for varying the electron effective collision frequency at cons- tant density, in the plasma of a He-Ne laser. A medium power (a few watts) microwave oscillation interacts with the positive column and heats the electron gas. The collision frequency variations are deduced from measurements of the plasma DC conductivity changes ; the agreement with the computed values is good.

Dans un laser à gaz, l'inversion de population dépend très étroitement des propriétés du plasma de la décharge, en particulier de la densité et de la tempé- rature électroniques. Dans le cadre d'une étude géné- rale destinée à préciser un certain nombre de mécanis- mes mal connus conduisant à l'inversion de population des atomes excités du néon dans le laser à hélium-néon, nous avons été amenés à étudier plus particulièrement des méthodes permettant d'agir séparément sur la densité et l'énergie moyenne des électrons de ce plasma.

Dans le cas d'une décharge continue, que nous considérons ici, on sait modifier la densité électro- nique, à tenipérature constante, en agissant sur le courant de décharge [Il, [2], [3], [4]. L'objet de cette communication est de décrire une méthode complé- mentaire permettant de faire varier la température électronique à densité constante, en perturbant le plasma par une onde hyperfréquence de puissance moyenne, qui ne modifie pas de façon appréciable la densité électronique.

On sait que la conductivité d'un plasma, en l'absence de champ magnétique, pour une onde électromagné- tique (décrite par son champ électrique, supposé sinusoïdal, E = Êei'"') est :

v est une fréquence de collision effective, de la forme

et où N est la densité volun~ique de neutres.

Dans ce qui suit, nous supposerons, pour simplifier, que les sections efficaces q de collision électroniques sont indépendantes de l'énergie moyenne des électrons, ce qui se justifie par le fait que cette énergie est faible, ne dépassant pas 10 à 12 eV [ 2 ] . Cela permet en outre de remplacer la moyenne du terme q . v (soit < q . v >), où u est la vitesse des électrons, par q . < v >, où

est la vitesse thermique moyenne, en supposant une distribution maxwellienne pour les énergies élec- troniques. D'autre part, nous négligerons la variation de v avec o, qui est faible en tout état de cause. En effet, cette variation est décrite par le coefficient numé- rique a qui vaut 413 dans le cas où v 2 4 ^{0 2} et 3 4 8 dans le cas contraire ^{i l 2} $ 0 2 [5].

Dans un plasma à un seul type de neutres, soumis à un champ électrique continu E, et à un champ hyper- fréquence d'amplitude efficace E ⁼ E/& un électron moyen gagne, pendant l'unité de temps, une énergie

égale à : -

a ~ ' C E :

wG = - f --

n n

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1968332

MODIFICATION DE LA TEMPÉRATURE ÉLECTRONIQUE C 3 - 129

où a est la conductivité (réelle) en hyperfréquences (vZ 4 wZ);

- a est la conductivité en continu (v2 >> ^m2) ; n est la densité électronique.

En explicitant les conductivités, on obtient :

Pendant le même temps, cet électron perd, du fait principalement de ses collisions avec les neutres, une fraction Gv de son énergie cinétique moyenne

3

En régime stationnaire, l'équilibre des énergies permet d'écrire :

i.v,

-

3

soit :

Nous pouvons supposer, grâce aux hypothèses simplificatrices exposées plus haut, que la fréquence de collision effective v est reliée à la température électro- nique T par [6] :

En l'absence de champ hyperfréquence de perturba- tion, c'est-à-dire quand E = O, la formule (1) s'écrit :

L'expression (2) donne alors :

On peut utiliser ce résultat pour mettre l'équation (1) sous la forme :

m 2 nm Le paramètre O = --

8 a2 q 2 N 2 k a la dimension d'une température et varie comme l'inverse du carrC de la pression p des neutres, Dans les cas que nous rencon-

To E 2

trerons, la quantité ^{- -} est toujours petite devant O E:

l'unité (elle est de ['ordie de On peut alors linéariser l'expression de T', qui devient :

La fréquence de collision perturbée, proportion- nelle à

d?

Dans le cas d'un mélange de deux gaz, ces rksultats se généralisent sans difficulté. On peut d'ailleurs démon- trer que la valeur de O calculée pour l'hélium pur est très peu modifiée par l'addition d'une faible propor- tion de néon, qui ne dépasse jamais dans nos expirien- ces le sixième de la quantité totale.

La figure 1 donne, dans ces conditions, les variations théoriques du rapport ^- To et du paramètre O en fonc-

O

tion de la pression p. Nous avons tracé cette figure en

6 0 - 1 5 I 1

-

O 2 4 ^{6 Pression}

(Torr)

Frc. f (Titre). - Variations théoriques de O et T/Q en fonction de la pression, dans l'hélium.

utilisant les valeurs calculées et mesurées de la tempé- rature électronique dans le plasma du laser à hélium- néon [2], [3], [4]. Les variations de O sont déduites de la formule :

L'examen de cette courbe montre que pour un rap-

9

C 3

-

port E/Eo donné entre le champ électrique hyper- électronique moyennée sur une section du tube, soit fréquence et le champ continu la perturbation apportée

à la fréquence de collision (donc à la température < n > ='

1

^.

électronique) croît très rapidement avec la pression. R O

C'est ce bue confirment ces vérifications expérimen-

tales. Les variations relatives vérifient

Dans nos expériences, nous avons déterminé la variation relative de fréquence de collision :

en mesurant, à courant de décharge constant, les variations du champ électrique continu dans une partie de la colonne positive soumise à l'onde hyper- fréquence de perturbation.

En effet, la conductivité 5 du plasma pour un cou- rant continu s'écrit

où J est la densité de courant et < n > est la densité

A courant de décharge constant, le terme AJIJ est nul ; d'autre part, les variations de densité électronique sous l'action de l'onde de perturbation sont négligeables devant celles de la fréquence de collision [4]. 11 reste alors :

Le dispositif représenté en figure 2 ressemble beau- coup au montage déjà décrit dans des publications précédentes [7], [8]. Le tube en quartz, de diamètre intérieur 6 mm, comporte deux électrodes qui permet- tent de mesurer les différences de potentiel dans la

Enregistreur Y

FIG. 2 (Titre). - Schéma général de l'expérience.

(Commentaire) Le magnétron fournit l'onde de perturbation. Son effet sur la conductivité du plasma est mesuré par deux sondes reliées au voltmètre différentiel.

t

v0ltm;tt-e di &n&l -

MagAGPn (+Aamn&

1 ,

V

CristaL d é t e c b r

L ^~

Adaphkur dm$&

f

.

1

Gupkur

-

2 6 d B Watb-né& Enyistreor X

-t

i

b u r t -

Circuit

\ ^Charge

G u p k u r d i ~ c t i F adaptée

10 dB

MODIFICATION DE LA TEMPÉRATURE ÉLECTRONIQUE C 3 - ¹³¹ colonne positive, sans perturber le fonctionnement du

laser. Entre ces électrodes, le plasma est placé dans une longueur de 50 cm de guide d'ondes R G 52 U (3 cm) ; l'onde de perturbation, d'une puissance maximale d'environ 12 watts, est fournie par un magnétron JPT 9/01. Le guide d'onde est terminé à une extrémité par un court-circuit. Un adaptateur d'impédance, dont le réglage dépend du courant de décharge, assure que toute la puissance hyper soit couplée à la décharge en éliminant les réflexions. Un wattmètre hyperfréquence,

,, 2,8 Torr

I O

8

--- ^Valeur u i l c u l i c

6

-

4 2

FIG. 3 (Titre). - Variations relatives de la fréquence de col- lision effective en fonction de la puissance de l'onde hyper- fréquence.

branché en dérivation sur le circuit principal, permet la mesure de la puissance de l'onde de perturbation.

Les résultats expérimentaux sont donnés sur la figure 3, où ils sont comparés aux prévisions théori- ques.

Le bon accord entre les résultats de mesure et la théorie confirme que nous possédons avec cette méthode un moyen commode de faire varier la tem- pérature électronique d'une quantité bien déterminée, en ne modifiant pas de façon appréciable la densité électronique.

L'étude en cours des mécanismes fins de l'inversion de population dans le laser à hélium-néon utilise en particulier cette méthode. Les résultats obtenus seront donnés dans une publication ultérieure.

Bibliographie

[Il VON ENGEL (A.), ^c( Ionized ^{Gases )) 2e} &dition Oxford, Clarendon Press, 1965.

[2] LABUDA (E. F.) et GORDON (E. I.), J. Appl. Physics, 1964, 35, p. 1647.

[3] YOUNG (R. T.), J. Appl. Physics, 1965, 36, p. 2324.

[4] VAUGE (C.), Thése du 3e cycle présentée à la Faculté des Sciences d'Orsay.

[5] GINZBURG (V. L.), « Propagation of Electromagnetic Waves in Plasma », North-Holland 1961.

[6] ANDERSON (J. M.) et GOLDSTEIN (L.), Phys. Rev., 1955, 100, p. 1037.

[7] DELPECH (J. F.) et VAUGE (C.), C. R. Acad. Sci., 1966, 263, p. 560.

[8] DELPECH (J. F.) et VAUGE (C.), C. R. Acad. Sci., 1966, 263, p. 1328.