Oscillations et distribution non maxwellienne des électrons dans un plasma de césium

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Submitted on 1 Jan 1965

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Oscillations et distribution non maxwellienne des électrons dans un plasma de césium

J.B. Moreau

To cite this version:

J.B. Moreau. Oscillations et distribution non maxwellienne des électrons dans un plasma de cé-

sium. Journal de Physique, 1965, 26 (8-9), pp.448-450. �10.1051/jphys:01965002608-9044801�. �jpa-

00205995�

448.

ÉTUDE D’UN FAISCEAU DE PLASMA DE SYNTHÈSE

Par G. SPIESS,

Centre d’Études Nucléaires de Saclay, ^{Service de} Physique Appliquée.

Résumé. 2014 Un plasma ^de synthèse ^est constitué par ^un faisceau d’ions neutralisé _par injection

d’électrons thermoioniques. ^{Le milieu est} microscopiquement ^neutre (n- ⁼ n+) ^et le courant total transporté ^{est nul} (j- = j+), ^{on en} déduit que les vitesses moyennes ^des ions et des élec- trons sont égales (v+ ⁼ v-). ^Les collisions binaires sont négligeables, ^le champ électromagnétique

extérieur est nul.

Les paramètres fondamentaux de ce plasma ^{sont connus et} ajustables par réglage ^{de la} décharge

dans la source ionique. ^Ces propriétés spécifiques ^{offrent aux} plasmas ^de synthèses de nombreuses

possibilités d’études de base parmi lesquelles nous avons d’abord retenu la formation d’une insta- bilité longitudinale ^de type double-faisceau par création d’une vitesse relative électrons-ions. De nombreux recoupements ^entre la théorie et l’expérience éclairent le mécanisme d’amplification qui résulte d’un transfert de l’énergie cinétique ^{des électrons au} bénéfice du champ électrique ^de

l’onde. Enfin, l’influence des collisions électrons-neutres sur l’amortissement de l’onde a été mise

en évidence par injection d’hydrogène moléculaire dans le plasma.

LE JOURNAL DE PHYSIQUE ^TOME 26, AOUT-SEPTEMBRE 1965,

OSCILLATIONS ET DISTRIBUTION NON MAXWELLIENNE DES ÉLECTRONS DANS ^UN PLASMA DE CÉSIUM

Par J. B. MOREAU,

Conservatoire National des Arts et Métiers et Compagnie Française Thomson-Houston.

Résumé. 2014 Nous avons construit une diode à plasma ^de césium munie d’une sonde plane.

Nous avons mis en évidence une inversion du signe ^des gaines ^{au niveau} de l’émetteur ou du collecteur suivant le point ^de fonctionnement de la diode. Si la gaine ^{au niveau de} l’émetteur est

électronique, la distribution des électrons est maxwellienne. Si la gaine ^est ionique, ^des oscillations apparaissent ainsi que deux groupes d’électrons de vitesses différentes.

Abstract. 2014 We have developed ^{a caesium} plasma ^{with a} Langmuir probe incorporated. ^{We have}

been able to show an inversion of the sign ^{of the sheaths at the collector or at} the emitter depen- ding ^{on the diode} working point position. ^{When the sheath at} the emitter is electronic, ^{the elec-}

tron distribution is Maxwellian. When the sheath is ionic, oscillations appear ^as well as two groups of electrons having différent velocities.

LE JOURNAL DE PHYSIQUE ^TOME 26, AOUT-SEPTEMBRE 1965,

Nous ^avons construit une diode de géométrie plane munie d’une sonde de Langmuir. ^L’6metteur

en tantale de 10 mm de diam6tre est situe a 5 mm

du collecteur. Celui-ci est perc6 ^{en son centre d’un}

trou par lequel p6n6tre ^{une sonde} plane ^en tung-

st.ene de 0,3 ^{mm de} diam6tre. L’enceinte c6ramique-

metal contient du cesium dont la pression ^de

vapeur ^est déterminée par la temperature ^d’un

reservoir mesur6e par ^un thermocouple. ^La temp6-

rature de 1’emetteur de l’ordre de 2 000 OK est d6duite des valeurs du courant de saturation élec-

tronique ^{mesure avant} l’introduction du cesium.

Cette temperature determine le taux d’ionisation de la vapeur de cesium ^sur la surface de 1’emet- teur [1].

Nous avons relev6 des caractéristiques ^I I(Y)

de la diode pour differentes temperatures ^du

cesium. Pour chacune de ces caractéristiques ^de diode, nous avons trace un reseau de caracteris-

tiques ^{de sonde en} différents points de fonction- nement de la diode. Le tableau suivant indique ^les

valeurs des différents param6tres ^du plasma ^d6duits

de ces mesures de sonde lorsque ^la pression ^de

vapeur du cesium est voisine de 10-2 torr,

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01965002608-9044801

449

A partir ^{des valeurs du} potentiel ^du plasma,

d6duit également ^de ces mesures de sonde, ^nous

avons étudié l’allure g6n6rale ^de la distribution de

potentiel ^dans 1’espace interelectrode. En consi- d6rant le plasma ^comme équipotentiel, ^{nous avons}

I

tracé des diagrammes ^de potentiel analogues ^{à ceux}

de la figure ^1.

On remarque que le signe ^{de la} charge d’espace

au niveau du collecteur change ^au niveau du deu- xi6me diagramme. ^{Cette inversion} correspond ^sur

FIG. 1,

Diagramme ^de potentiel ^et distribution des electrons.

450

la caractéristique de la diode a une brusque aug- mentation du courant qui peut s’expliquer ^{en con-}

sid6rant _que les electrons rencontrent alors pres ^du

collecteur un potentiel acc6l6rateur [2]. ^Le signe ^de

la gaine ^au niveau de l’ émetteur change egalement

entre les diagrammes ^{3 et 4.} Lorsqu’on opere ^à

basse pression ^{de cesium} (temperature du reservoir de l’ordre de 30 OC) ^{cette inversion se manifeste}

sur la caractéristique de la diode par ^une disconti- nuit6 au voisinage ^{de 3 volts.} Lorsque ^{la diffé-}

rence de potentiel ^aux bornes de la diode est sup6-

rieure a 3 volts le plasma ^est stable, ^{aucune oscil-}

lation ne se manifeste. Les caractéristiques ^de

sonde ont 1’allure classique pr6vue par la th6orie

simple ^de Langmuir correspondant ^{a une distri-}

bution maxwellienne des electrons. Les temp6ra-

tures 6lectroniques ^sont de 1’ordre de 2 000 OK à 3 000 OK.

Lorsque la difference de potentiel ^{aux bornes de}

la diode diminue de 3 volt a 0 volt, ^des oscillations

apparaissent ^{dont la} frequence augmente ^de

250 KHz a 400 KHz. Ces frequences varient peu

avec la pression ^{de cesium tant} que la temperature

du cesium est inf erieure a 80 OC. Au dela de cette

temperature, ^d’autres types d’oscillations _appa- raissent que ^{nous ne} consid6rons _pas ici. La forme des caractéristiques de sonde relev6es dans cette

region, indique que la distribution des electrons n’est plus maxwellienne. Medicus [3] ^a propose

une methode graphique d’interprétation ^{des carac-} t6ristiques ^de sonde, qui s’applique ^{aux distri-}

butions isotropes ^{mais non} maxwelliennes, que

nous avons utills6e. Les resultats obtenus ^sont indi-

ques ^{sur la} figure. Lorsque ^la gaine ^{au niveau de}

I’ émetteur est acc6l6ratrice pour les 6leetrons, ^on

observe deux groupes d’électrons. C’est ^{dans cette}

region ^{que se} manifestent des oscillations. Au con-

traire, lorsque ^la gaine ^{est de} signe contraire, ^la distribution est maxwellienne ; ^il n’y ^a pas d’oscil- lation.

Nous avons compare ^la frequence ^des oscillations observ6es a la frequence des oscillations station- naires ioniques, ^du type acoustique, ^{excit6es par}

un faisceau d’electrons traversant un plasma [4].

y coeflicient d’adiabaticité est 6gal a 3 dans le cas

consid6r6, ^{M est la masse} des ions cesium et D la distance emetteur-collecteur (5 mm). Le faisceau d’electrons est constitue des electrons rapides

acc6l6r6s par la gaine de hauteur Vg qui ^borde 1’emetteur ; Te ^est la temperature 6quivalente (k T,, ⁼ e Vg).

Les f requences ^{observ6es et calcul6es sont com-} par6es ^{dans le tableau suivant} [5] :

Nous poursuivons ^{cette 6tude sur un} plasma ^de

cesium de plus grande ^dimension produit par deux 6metteurs identiques situ6s a 12 cm l’un de 1’autre et isol6s _par un anneau de c6ramique [6]. ^Un champ magn6tique ^assure le confinement du plasma ^dont

les propri6t6s ^sont mesur6es par trois sondes de

Langmuir. ^{Meme en} l’absence de champ magn6- tique ^{et sans} champ electrique applique, ^{nous avons}

constate 1’existence du plasma ^{sur toute la} longueur

du tube (fig. 2).

FIG. 2.

Tube a plasma ^{de cesium a deux cathodes.}

BIBLIOGRAPHIE [1] ^TAYLOR (J. B.) et LANGMUIR (I.), Phys. Rev., 1933, 44,

423.

[2] DIEULESAINT (E.) ^{et MOREAU} (J. B.), C. R. Acad. Sc., Paris, juillet 1964, 259, 741-744.

[3] ^MEDICUS (G.), ^J. Appl. Phys., 1956, 27, 1242.

[4] ^CHIVIAN (J. S.), ^J. Appl. Phys., 1964, 35, ^302.

[5] ^MOREAU (J. B.), ^{C. R. Acad.} Sc., Paris, juin 1964, 260.

[6] ^RYNN (N.), ^Rev. of Scientific instruments, 1960, 31, 12.