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Submitted on 1 Jan 1965
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Répartition spatiale du champ électrique haute fréquence dans une décharge résonnante
A. Brunet, J. Taillet
To cite this version:
A. Brunet, J. Taillet. Répartition spatiale du champ électrique haute fréquence dans une décharge résonnante. Journal de Physique, 1965, 26 (8-9), pp.517-519. �10.1051/jphys:01965002608-9051700�.
�jpa-00206019�
517.
RÉPARTITION SPATIALE DU CHAMP ÉLECTRIQUE HAUTE FRÉQUENCE
DANS UNE DÉCHARGE RÉSONNANTE
Par A. BRUNET et J. TAILLET,
Centre d’Études Nucléaires de Saclay, Services de Physique Appliquée.
Résumé. - La comparaison des champs électriques à haute fréquence calculés à partir d’un
modèle simple et mesurés à l’aide d’un dispositif à faisceaux électroniques montre que le régime permanent de certaines décharges à haute fréquence est dominé par une résonance série du sys- tème plasma-gaines.
Abstract. 2014 Using an electron-beam probing technique, we have measured the internal electric field in a r. f. discharge. Comparison with a simple theoretical model shows that the steady
state of a large class of r. f. discharges is controlled by a plasma-sheath resonance.
LE JOURNAL DE PHYSIQUE TOME 26, AOUT-SEPTEMBRE 1965,
1. Introduction. - Ce travail a ete fait dans le cadre d’une 6tude g6n6rale d’un type de d6charges
4 haute f requence caract6ris6es par le fait qu’elles peuvent etre entretenues avec une tension H. F.
tres faible et que la f requence plasma est voisine
de la frequence d’excitation. Les d6charges de ce type sont d6nomm6es d6charges r6sonnantes [1].
Dans 1’etude du regime permanent des d6charges
a haute f requence, on est amene a faire des hypo-
th6ses sur la valeur du champ electrique alternatif
au sein de la decharge, car c’est de ce champ que
depend 1’energie fournie par le generateur aux
electrons du plasma. Dans de nombreux cas, on se
contente de l’approximation qui consiste a prendre
pour valeur du champ celle que l’on obtiendrait,
dans la meme configuration, en absence de plasma.
Cependant cette approximation n’est plus va-
lable si le plasma, qui est un milieu dispersif, a
pour le domaine de frequences consid6r6es un
indice et une constante di6lectrique nettement
diff6rents de l’unit6. II apparait alors, lorsque I’absorption est n6gligeable, des ph6nom6nes de
resonance qui modifient compl6tement I’amplitude
et la phase des champs 6lectriques dans le milieu ionise et les gaines qui le s6parent des parois, et qui peuvent même dominer compl6tement le
m6canisme d’entretien de la decharge.
D’une façon plus g6n6rale, si une decharge entre-
tenue par une source d’énergie quelconque est
soumise a 1’effet d’un champ electrique alternatif,
les electrons de cette decharge seront capables d’emmagasiner de 1’energie sous forme ordonn6e et de l’échanger avec le champ a condition que la
frequence d’oscillation du champ soit sup6rieure
a la frequence de collision du milieu ionise. Cet effet se traduit par 1’ augmentation de I’amplitude
du champ a haute frequence dans le plasma, par
rapport a la valeur de cette amplitude dans la
meme géométrie en I’absence de plasma.
Pour verifier ces effets, on peut mesurer, dans
le cas ou la frequence est 6lev6e, la variation d’im-
p6dance produite par de telles resonances dans un
guide partiellement charge par le plasma. D’un
autre cote, si le recipient contenant le plasma est
assez grand et si la f requence est suffisamment
basse, il est tentant de chercher a atteindre direc- tement la valeur locale de F amplitude et de la phase du champ electrique oscillant a l’int6rieur du plasma.
C’est dans ce but qu’a ete construit un dispositif experimental a symetrie plane. Une decharge
en forme de lame a faces parall6les est excites par haute f requence entre deux electrodes planes et parall6les en forme de disques de 40 cm de dia-
metre et distantes au maximum de 20 cm. Le
champ electrique est suppose, en premiere appro- ximation, perpendiculaire aux plateaux dans tout
le volume utile du dispositif. 11 n’y a pas, dans cette experience, de champ magn6tique statique.
Le principe de la m6thode de mesure est alors le suivant : les petites deviations d’un faisceau elec-
tronique cheminant dans la decharge parall6le-
ment au plan des plateaux, donc perpendiculaire-
ment au champ electrique, sont proportionnelles
a F amplitude du champ a haute frequence dans
la region travers6e. 11 est facile de rep6rer ces devia-
tions sur un écran fluorescent. En meme temps, si 1’etat electrique du plasma est suppose uniforme
dans tout plan parall6le aux plateaux, on peut
superposer un balayage horizontal de faible ampli-
tude du faisceau 6lectronique. Si ce balayage a la
meme f requence que la tension appliqu6e aux 6lectrodes, on obtiendra sur 1’ecran fluorescent
une figure de Lissajous qui permettra le rep6rage
de la phase du champ a haute f requence dans la decharge. Il est commode de pouvoir disposer en
meme temps de deux faisceaux électroniques : on peut ainsi comparer le champ electrique a deux
niveaux de la decharge ou comparer le champ 6lee- trique dans le plasma et dans la gaine [2].
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01965002608-9051700
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2. Expérience fondamentale d’observation de la rdsonance. - Pour mettre en evidence le regime
de decharge r6sonnante, formons par exemple une decharge dans l’oxyg6ne ; la decharge peut etre maintenue, des que la pression est de l’ordre de 10-3 torr, avec une tension d’excitation de 5 volts efficaces pour des plateaux 6cart6s de 20 cm. La
partie centrale de la figure 1 est une photographie
de traces sur 1’ecran fluorescent des faisceaux 6lee-
troniques ayant traverse la gaine et le plasma. On
a repr6sent6, a gauche, les memes traces en 1’ab-
sence de plasma pour une tension H. F. plus
6lev6e entre plateaux et, a droite, une des traces
en absence de plasma avec 5 volts efficaces entre
plateaux.
L’examen de cette figure (et d’autres figures
obtenues dans des conditions analogues) appelle
les remarques suivantes :
a) L’amplitude du champ electrique H. F. dans
le plasma et dans la gaine est multipliée par un facteur de l’ordre de 10, qui varie un peu suivant les conditions expérimentales.
b) La phase du champ H. F. dans le plasma est oppos6e a la phase du champ H. F. dans la gaine.
c) La phase du champ H. F. dans le plasma est oppos6e a la phase du champ H. F. en absence de decharge ; la phase du champ H. F. dans la gaine
est rest6e la meme qu’en absence de plasma.
Ces observations montrent 1’existence du regime
r6sonnant. En effet :
a) L’experience montre que la decharge est
entretenue par un m6canisme d’amplification du champ dans le plasma.
b) La phase des champs dans le plasma et dans
la gaine est la meme que celle que pr6voit la th6orie
pour la resonance « g6om6trique » [1].
c) L’exp6rience montre que la partie r6elle du
coefficient d’amplification est negative, comme
pour le point d’equilibre stable de la theorie [I], [3].
3. Distribution spatiale du champ dlectrique
a haute fréquence. 2013 A partir des equations de
Gould et Vandenplas [4] ont peut aussi calculer le champ electrique a haute frequence El(x) a l’in-
t6rieur du plasma.
A la resonance on trouve :
A partir de (1) nous avons calcule E1(x)/Eo
dans les conditions de notre experience, c’est-h-
dire avec L = 20 cm, y = 3, Te = 5 X 104 °K.,
m = 27 15 X 106. Les courbes E1(x) /Eo calcul6es
pour diverses valeurs de 11 sont repr6sent6es sur
la figure 2a.
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II faut remarquer que la courbe qui correspond
4 ll = 6 cm n’est plus valable car la condition
L1 » XD (XD : longueur de Debye) n’est pas r6a- lisee. La valeur de E1 representee sur cette courbe
est trop faible comme on le voit si on remarque
qu’A la resonance on doit avoir
4. Rdsultats expdrimentaux. - Les resultats
experimentaux sont repr6sent6s sur la figure 2b.
La mesure a ete faite a l’aide d’un canon a 6lee- trons de 10 kV de tension deceleration. La fr6- quence d’excitation de la decharge est 15 MHz, la
tension 45 volts crete a crete et la distance entre
plateaux 20 cm. Les deviations mesur6es, ramen6es
a une valeur constante de la tension entre plaques,
nous indiquent la r6partition spatiale du champ
haute frequence en valeurs relatives.
Les differences entre les courbes th6oriques et
les courbes expérimentales peuvent s’expliquer
par les raisons suivantes :
1. Le profil de densite du modele th6orique est rectangulaire. Dans la decharge 6tudi6e, quoique
la densite 6lectronique soit bien constante au
centre du plasma, elle d6crolt vers les bords.
2. La gaine du modele est vide d’electrons et assimilable a un di6lectrique de permittivit6 1 ;
les electrons de la decharge p6n6trent dans la gaine et le champ electrique haute frequence n’y
est pas constant.
3. Le modele est unidimensionnel (lame a faces paralleles) ; le plasma experimental a la forme
d’un ellipsoide de revolution aplati, qui s’ecarte
de la sym6trie plane surtout aux basses pressions.
Malgr6 ces 6carts entre la configuration et celle
de Inexperience, 1’allure des courbes est analogue.
L’adoption d’un modele mieux adapte en ce qui
concerne la gaine doit permettre un meilleur accord
entre th6orie et experience [5].
5. Conclusion. - L’utilisation de faisceaux elec-
troniques nous a permis de faire la mesure locale du champ haute frequence a l’int6rieur d’une
decharge. La comparaison des phases dans le plasma et dans la gaine et les courbes de r6parti-
tion spatiale des champs 6lectriques mesures prouvent que les conditions de resonance sont bien r6alis6es dans les d6charges 6tudi6es.
BIBLIOGRAPHIE [1] TAILLET (J.), Rapport C. E. A., R 2502, 1964.
[2] BRUNET (A.) et TAILLET (J.), Rap. Int. PA. IGn/RT 335 (à paraître).
[3] TAILLET (J.) et BRUNET (A.), J. Physique, 1965, 26,
520.
[4] GOULD (R. W.) et VANDENPLAS (P. E.), Proc. Vth
Int. Conf. on Ioniz. Phen. in Gases, Munich, 1961, 2, 1470.
[5] PAVKOVICH (J.) et KINO (G. S.), VIe Conf. Int. Phen.
Ion. Gaz, Paris, 1963, 3, 39.
