HAL Id: jpa-00208430
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Submitted on 1 Jan 1976
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Température d’équilibre dans une postluminescence proche d’hélium à une pression de quelques torrs
C. Samba, A. Bouvier (mme), A. Bouvier
To cite this version:
C. Samba, A. Bouvier (mme), A. Bouvier. Température d’équilibre dans une postluminescence proche d’hélium à une pression de quelques torrs. Journal de Physique, 1976, 37 (4), pp.359-364.
�10.1051/jphys:01976003704035900�. �jpa-00208430�
TEMPÉRATURE D’ÉQUILIBRE DANS UNE POSTLUMINESCENCE
PROCHE D’HÉLIUM A UNE PRESSION DE QUELQUES TORRS
C.
SAMBA,
A. BOUVIER(Mme)
et A. BOUVIERLaboratoire de
Spectroscopie
et de Luminescence(*)
Université Claude
Bernard, Lyon I, 43,
bd du11-Novembre-1918,
69621Villeurbanne,
France(Reçu
le 14 novembre 1975,accepti
le 3 decembre1975)
Résumé. 2014 L’existence d’un équilibre
thermodynamique
local partiel dans unepostluminescence proche
d’hélium excité par desimpulsions
d’ondes centimétriques, à des pressions dequelques
torrs,a
permis
d’obtenir une températureélectronique
de 2 800 ± 500 K. Elle ne varie pas notablementpendant
la dizaine de microsecondes qui suit la décharge, ce qui permet de montrer que la températuredu gaz est alors de 700 ± 100 K.
Abstract. 2014 Helium is excited
by
microwaves to set up apulsed discharge
at a pressure of a few torrs. Localpartial thermodynamical equilibrium
exists in theearly afterglow.
This fact is used to determine the electronic temperature, the value of which is 2 800 ± 500 K.During
the first tenmicroseconds after the
pulse
it does not vary much. This result suggests that the gas temperature is 700 ± 100 K.Classification
Physics Abstracts
5.250
1. Introduction. - Le but
principal
de ce travailest de rechercher dans un
plasma
d’h6lium faiblement ionis6 nonhomog6ne
et enrelaxation,
a lapression
de3,37
torrs, si les conditionsd’6quilibre thermodyna- mique
sontremplies
entre divers niveaux d’excitation de 1’atome d’helium. SiI’ équilibre
estrealise,
desmesures
spectroscopiques permettent
de determinerune
temperature
dont on donnera lasignification.
De nombreux auteurs ont
d6jA
abord6 le calcul de lapopulation
de différentesparticules
dans unplasma
apartir
des relationsexprimant l’équi-
libre
[1, 2].
On a utilise les resultats de Drawin[3] qui
traitent de 1’existence de
1’equilibre thermodynamique
dans un
plasma
constitue d’atomeshydrog6noides
ou d’h6lium.
2. Conditions nécessaires pour obtenir un
equilibre thermodynamique
local dans unplasma
nonhomogine,
faiblement
ionise,
en relaxation[4].
- 2.1 CAS DUPLASMA OPTIQUEMENT MINCE,
HOMOGENE,
EN REGIMEPERMANENT. - On sait que
lorsque 1’6quilibre
ther-modynamique
estrealise,
il existe une seuletemp6-
rature
qui
fixe toutes les fonctions de distribution.Ceci
implique
la microréversibilité des processus dusaux collisions et au rayonnement. Le milieu doit donc etre
optiquement 6pais,
cequi
n’est pas le cas dans lespr6sentes experiences,
lesplasmas
etudies devant etreconsidérés,
au contraire commeoptiquement
minces(*) Equipe de Recherche Associee au C.N.R.S. no 302.
pour les radiations autres que les raies de resonance.
S’il
n’y
a micror6versibilit6 que pour les processus dus auxcollisions,
il existe un6quilibre
thermo-dynamique
local(E.T.L.).
Cet6quilibre
n’est quepartiel lorsque
dans un 616ment de volumequelconque,
seules certaines
cat6gories
departicules
sont en6quilibre thermodynamique.
Dans le cas ou il existeun E.T.L.
partiel
entre les electrons et les atomesexcites dans certains
niveaux,
les chocs6lectroniques imposent 1’equilibre
dans ces niveaux et ceci d’autantplus
facilement que ces demiers sontplus proches
lesuns des autres.
D’une mani6re
g6n6rale,
lesphenomenes
d’excita-tion et de d6sexcitation de type radiatif sont en
concurrence avec les
ph6nom6nes
de type collisionnel.11 faut donc connaitre le
phenomene responsable
de1’equilibre
afin de donner unesignification
a la tem-p6rature.
2.2 CAS DU PLASMA OPTIQUEMENT MINCE, NON HOMOGTNE ET EN RELAXATION. - Dans un
plasma
en
relaxation,
outre les considerationsd6jA
envi-sag6es,
entre enligne
de compte le temps n6cessaire à l’établissement de1’equilibre.
n faut que les variations detemperatures
et de densit6s des diversesparticules
soient
beaucoup plus
lentes que 1’etablissement de 1’excitation et de l’ionisation. Drawin apropose
desvaleurs
th6oriques
pour les temps d’établissement de1’equilibre
en fonction du niveau excite[3],
valeurspeu différentes de celles obtenues par Griem
[5].
Pourla constante de temps relative a un niveau de nombre
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01976003704035900
360
quantique principal j,
Drawin donne1’expressior
suivante :
ou
03C8’1
est une fonction tabul6e par l’auteur[3] ;
ne, la densiteélectronique
encm- 3 ; T,
latemperature d’equilibre ;
Z = 1 pour les atomes neutres;EH
est
1’energie
d’ionisation de1’hydrogene
en eV.Le
plus
souvent rj est nettement inf6rieur auxconstantes de temps de variation des
grandeurs macroscopiques
duplasma.
Dans le cas d’un
plasma spatialement
non homo-gene,
on peut écrireI’équation
de Boltzmann enregime
transitoire :ou
Nj d6signe
lapopulation
desparticules
dans1’etat j et ( Wj >
leur vitesse moyenne de diffusion. Le deuxi6me terme du second membre de(2) qui
traduitl’inhomog6n6it6
dumilieu,
vaut :ou
Dj
est le coefficient de diffusion et A unparam6tre dependant
de lagéométrie
de la cellule et de l’inhomo-g6n6it6
duplasma.
Suivantl’importance
relative des deux termes du second membre de(2),
c’est la relaxa- tiontemporelle
oul’inhomog6n6it6
du milieuqui
al’influence
pr6dominante
sur 1’E.T.L.Or
L’equitibre
ne sera pasperturb6
par la diffusion si :Dans le cas d’un milieu faiblement ionis6
(ne/No 1 %) le
coefficientpj depend
surtout descollisions entre
particules
neutres; c’est alors le coefficient de diffusion pour unm6lange
binaire(Nj, No).
Habituellementl’inégalité (5)
est vérifiéepour les niveaux de nombre
quantique j
6lev6.3.
Application
de la th6orie de 1’E.T.L. auplasma
ktudik. - On examine dans
quelle
mesure leplasma r6pond
aux conditionsd’6quilibre expos6es pre-
cédemment.
3.1 Drawin a montr6 que dans un milieu ou les chocs
qui jouent
leplus grand
role dans 1’etablissement de1’equilibre
sont les chocs6lectroniques,
la densite6lectronique
doit n6cessairement v6rifier la relation suivante :ou
T,, d6signe
latemperature 6lectronique
et 0 est unefonction calcul6e par Drawin. La relation
pr6c6dente,
a
1’egalite, implique
que 1’effet des collisions 6lectro-niques
est dix foisplus important
que celui du rayon- nement.11 en résulte que
1’equilibre
n’est realise que pour lesniveaux j > jT ofi jT d6signe
leplus petit
nombrequantique
satisfaisant la relation(6)
pour une densiteélectronique ne
donn6e.On
peut
faire une estimationde ne
a la fin de lad6charge.
Lafrequence
propre (op duplasma
estdonn6e par la relation
[6] :
Quand
la densite6lectronique croit,
lafrequence
propre du
plasma
augmente etlorsque wp/2 n d6passe
la
frequence w/2t
de l’ondeexcitatrice,
leplasma
devient hautement
réfléchissant,
de sorte que la concentration des electrons ne peutd6passer
nota-blement la valeur d6duite de la relation
(7)
avec cop = (10.Sachant que w = 9 000 MHz dans les
experiences effectuées,
on obtient pour ne : 3 x1012 CM-3.
Orl’in6galit6 (6)
est vérifiée dans les conditions suivantes :pour j = 5
etTe = 3 x 103 K,
on doit avoirne >
3 x1012 cm-3.
Pour la densite
6lectronique
considereel’ équilibre
estimpose
par les electrons et doit s’etendreaux atomes d’h6lium des
niveaux j
= 5jusqu’au
niveau d’ionisation.
On a v6rifi6 que
pour j
=4,
aucontraire,
c’est1’effet du rayonnement
qui
devient a peupres
dix foisplus grand
que celui des collisions6lectroniques.
3.2 On va comparer maintenant l’influence des chocs des atomes excites avec les
electrons,
d’unepart,
et avec les atomes dans 1’etat
fondamental,
d’autre part.Pour un atome excite dans un niveau
j,
1’efficacite relative de ces deux types de chocs se traduit par la valeur du terme B suivant :Q
d6signant
les sections de chocs et v les vitesses relatives despartenaires
du choc.Pour évaluer B on a confront6 les calculs des sections de chocs donn6s par Drawin
[3],
Griem[5]
et Bateset Khare
[7].
On obtient pour B des valeurscomprises
entre 10-’ et
10-5,
cequi
permet de conclure que pour lesniveaux j >
5 latemperature d’6quilibre
est latemperature 6lectronique
dans le cas ou les d6fautsd’inhomogénéité spatiale
ettemporelle
ne sont pas tropimportants.
Dans
1’expression (8),
on a utiliseTe
= 3 000K,
valeur d6duite de1’exp6rience,
ainsiqu’on
le verraplus loin,
etTo
= 1 000K, temperature
du gaz laplus
vraisemblable pour ce type dedecharge.
Des
experiences d’absorption
faites ant6rieurement dans les memes conditions[8]
ont conduit a des densitesd’atomes m6tastables de
101 °-1011 cm-3,
cequi correspond
bien a desplasmas optiquement
minces(6paisseur optique ko
L1).
3.3 Les constantes de d6clin des
grandeurs
macro-scopiques
d6duites des variations de lapopulation
des m6tastables dans ces
experiences
et des variationsdes
quantites Te et
ne au d6but de lapostluminescence
obtenues par Allab
[9],
sont de l’ordre de10- 5
s.D’autre part, la mesure du
temps
de montee de l’im-pulsion
lumineuse au debut de lad6charge
montreque
1’equilibre
s’etablit en10-6
s environ. Ces cons- tantes de temps sont toutes nettementsup6rieures
a lavaleur de ij calcul6e
d’apres
la relation(1),
soit Ti -10- 8
s. La relaxationtemporelle
permet donc l’ établissement de1’equilibre.
3. 4 11 reste a considerer la condition definie par la relation
(5) qui
doit etreremplie
pour tous les 6tats de nombrequantique j >
5.On assimile la cellule a une
sphere
de rayon 5 x10-2
m, d’ofj A = 9 x10-3
m.Le coefficient de diffusion mutuelle des atomes d’h6lium est :
Sachant que Tj est de l’ordre de 10-8 s,
Ainsi,
on peut considererqu’un 6quilibre thermody- namique
localpartiel
existe au d6but de lapostlu-
minescence entre les electrons et les atomes dans les 6tats excites de nombres
quantiques j sup6rieurs
a 5et il en résulte que 1’on
peut
d6duire latemperature 6lectronique
de la mesure des intensit6s des raiesspectrales.
4. Etude
expkrimentale.
- 4.1 LE DISPOSITIF. -11
comprend
la cellule contenant leplasma,
leg6n6-
rateur de microondes et le
r6cepteur.
La cellule de quartz
disposée
a 1’extremite d’unguide
d’onde a la forme d’unesphere
modifiée pour permettre la visee de la zone ded6charge.
Le
plasma
est cree par desimpulsions
d’ondes centi-m6triques
delongueur
d’onde3,2
cm a lafrequence
de
repetition
800 Hz. La duree del’impulsion
est de2 ps ; la
puissance
moyenne d6livr6e par leg6n6-
rateur a ete mesur6e a la sortie du
guide d’onde,
elle est de 48 W.
Le
r6cepteur
est constitue par un ensemble compre- nant un monochromateur HILGER et WATTS D285 aoptique
de verre ou de quartz, unphotomultiplica-
teur XP 1003 LA
RADIOTECHNIQUE
», unint6grateur
BOXCAR BROOKDEALANTARES,
un
oscilloscope
et unenregistreur.
4.2 PTSULTATS DES MESURES. - Le
dispositif
dereception
a ete étalonné en6nergie
entre 2 500 et8 000
A,
cequi
apermis
de mesurer lespopulations
relatives des atomes d’h6lium excites dans divers niveaux.
Soit
No
lapopulation atomique
totale en6quilibre.
Pour un niveau de nombre
quantique j
etd’6nergie Ej,
la
population Nj
ob6it a la loi[4] :
j
prenant les valeurscorrespondant
a tous les niveauxen
6quilibre
a latemperature
T.Pj
est la somme desprobabilités
pour que le niveau ne soit pas d6truit par interaction avec un electron et un atome.Nj s’exprime
en fonction de l’intensit6Ijk
d’une raiecorrespondant
a unetransition j
--> kÀjk
est lalongueur
d’onde de la raieconsideree ; A jk,
la
probabilite
de transitioncorrespondante.
SiJ jk
est la valeur du
signal 6lectrique mesure,
on a :0153 jk 6tant le coefficient de sensibilite
spectrale
relativeau
r6cepteur.
On a tenu compte6galement
du coeffi-cient de transmission de la
paroi
de quartz traversee.En
6galant (9)
et(10)
et en utilisant la relation(11),
on obtient :
Tous les
parametres
de(12)
sont connus[11];
dansles conditions
pr6sentes
lesPi
sont tous voisins de 1 a10-3 pres [4].
On a effectu6 les mesures deJjk
auxtemps t =
1; 3,25
et12 ps apres
le d6but del’impulsion
et pour des
regions
duplasma
situ6es a0,5
et2,5
cm de 1’extr6mit6 duguide d’onde,
lapression
dans le362
FIG. 1, FIG. 2, FIG. 3, FIG. 4.
Variation experimentale du paramètre Log X en fonction de 1’6nergie du niveau superieur de la transition étudiée ou :
ballon 6tant de
3,37
torrs, et l’ on a trace les courbes donnant lelogarithme
dupremier
membre de la relation(12)
en fonction de1’energie Ej
du niveausup6rieur
des diverses transitions 6tudi6es(Fig.
a, bet
c).
On constate effectivement que lespopulations
des 6tats tels
que j >
5 sont enéquilibre
tandis que cellesqui correspondent A j
= 3 se trouvent tr6snettement hors
d’6quilibre.
Lesphenomenes
radiatifsimportants
pour ces niveaux(plasma mince) expli-
quent que ces demiers soient
sous-peupl6s (Fig. d).
On
peut donc d6duire des mesures des intensit6s relatives des raies unetemperature qui
est latempe-
rature
6lectronique.
Pour la distance0,5
cm, on trouve :L’evaluation de l’incertitude a ete faite en tenant
compte
des erreursexpérimentales
et de l’incertitudesur les donn6es.
La
temperature electronique
est donc de l’ordre de 2 800 K et elle varie peupendant
lapremiere
dizaine de microsecondes
qui
suit lad6charge.
De
plus,
les mesures effectuées a2,5
cm donnent a 5% près,
la meme valeur pourTe.
Lalongueur
dediffusion 6tant pour le
premier
mode environ0,9
cm, ce resultat met en evidence unehomogeneite
de tem-p6rature
meilleure que celle que 1’on devrait attendreen ne consid6rant
qu’un
seul mode de diffusion. 11 est doncprobable
queplusieurs
modes de diffusion interviennent..4.3 DISCUSSION Er CONCLUSION. - En
appliquant
les calculs de
Drawin,
on a trouve que dans les condi- tionsexpérimentales utilis6es,
il devait seproduire
unequilibre thermodynamique
localpartiel
entre leselectrons et les atomes d’h6lium dans les niveaux
j >
5. Lesexperiences
ont montre que cet6quilibre
existait
réellement,
latemperature obtenue, qui
est latemperature 6lectronique,
6tant environ 2 800 K à 25% pres.
On va examiner maintenant
pourquoi
cettetemp6-
rature semble ne pas varier
pendant
les douzepremieres
microsecondes
qui
suivent lad6charge.
On
rappelle les-principaux
mécanismes dechauffage
et de refroidissement des electrons
pendant
cettep6riode
en se r6f6rant a divers travaux[12, 13, 14, 15].
4.3.1 En
postluminescence, plusieurs types
de reactions contribuent aproduire
des electronschauds,
les chocs métastable-métastable et les chocs electron- atomeexcite ;
unepartie
de1’energie
lib6r6e 6tant c6d6eaux electrons maxwelliens :
Lorsque
la concentration des atomesHe(2 ’S)
estimportante,
cequi
est le cas dans cesexperiences
ou elleest du meme ordre de
grandeur
que celle desHe(2 3S) [8],
c’est essentiellement la reaction(c) qui
foumit de
1’6nergie
aux electrons. Le taux de cette reaction esty = a ve.>
avec a=4x10-14 cm’ [14];
le nombre d’61ectrons chauds form6s en 1 s est
yne S,
oit S est la concentration des atomes
he(21 S).
L’éner-gie
moyenne fournit aux electrons maxwelliens estalors [15] :
4.3.2 Le seul m6canisme de refroidissement des electrons est celui du aux chocs des electrons avec les atomes neutres
No.
Celasuppose Te
>To.
Le tauxde cette reaction est
[15] :
Et
si 3kTr
3eV, 1’6nergie perdue
par un electron maxwellien en une seconde a pour valeur :mo et me etant les masses
respectives
des atomes et deselectrons.
On considere comme
negligeable
la variation d’6ner-gie
de l’atome due aux6changes
avec les 6lectrons.On peut alors calculer la variation
approximative
de la
temperature 6lectronique pendant
les 12 pre- mi6res microsecondesapres
lad6charge (en
ne tenantpas compte de la
diffusion).
On ecritqu’en
1 s on a :La relation
(16)
estint6grable
si S estindependant
du temps. On a considere que S ne variait pas sur un
intervalle de 1 J.1S et on a cherché a obtenir une
temp6-
rature
T.
du gazqui
satisfasse a la condition queTe
ne varie que dans le domaine des erreurs
experi-
mentales
[16].
On a ainsi trouve :On en deduit que dans un
plasma
enpostlumines-
cence
proche,
latemperature 6lectronique peut
varier tres peupendant
lapremiere
dizaine de microsecondes si latemperature
du gaz est telle que les processusd’6change d’6nergie
entre les electrons et les atomesneutres ont lieu avec un bilan donn6 par la relation
(15)
voisin de zero. De cette
maniere,
seraitexpliqu6e
latres faible variation de la
temperature Te
obtenue àpartir
des mesuresspectroscopiques.
Remerciements. - Les auteurs remercient vivement M. Drawin pour l’int6r8t
qu’il
aport6
a ce travail et lesfructueuses discussions
qu’il
a eues avec M. Samba.364
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