Dissociation des ions h2+ et h3+ dans un plasma de lithium

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Submitted on 1 Jan 1966

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Dissociation des ions h2+ et h3+ dans un plasma de lithium

F. Bottiglioni, J. Coutant, E. Gadda

To cite this version:

F. Bottiglioni, J. Coutant, E. Gadda. Dissociation des ions h2+ et h3+ dans un plasma de lithium.

Journal de Physique, 1966, 27 (9-10), pp.599-604. �10.1051/jphys:01966002709-10059900�. �jpa-

00206449�

599.

DISSOCIATION DES IONS

H2+

^ET

H3+

^{DANS UN PLASMA DE LITHIUM}

Par F.

BOTTIGLIONI,

^{J. COUTANT et E.}

GADDA,

Groupe

de Recherches de l’Association EURATOM-C. E. A. sur la

Fusion, 92, Fontenay-aux-Roses.

Résumé. ²⁰¹⁴ On mesure la section efficace de

production

^de protons pour des faisceaux d’ions moléculaires

H2+

^et

H3+ d’énergie

^{20 à 50}

keV,

traversant un

plasma

^{de lithium cons-}

tituié par ^{un arc} sous vide dans un

champ magnétique.

^{Ces sections efficaces valent}

03C3 ⁼ 8 10-16 cm2 _par

paire

^de

charges

élémentaires _pour

H2+

^{à 35 keV et 3 10-16 cm2}

par

paire

^de

charges

élémentaires _pour

H3+

^à 35 keV. Elles varient _peu ^avec

l’énergie

^des

ions incidents dans le domaine étudié.

Abstract. ²⁰¹⁴ The cross-section of proton

production

is measured for molecular

ion

^beams

of H2+

^and

H3+ in

the energy range 20 to 50

keV, passing through

^{a lithium}

plasma

^created

by

a vacuum arc in a

magnetic

field. The cross-sections are 03C3 ⁼ 8 10-16 cm2 _per electronic

charge

^{for 35 keV}

^H2+

^{and 3} 10-16 cm2 for 35 keV

H3+. They

vary very

slowly

^{with the}

energy of incident ions in the studied _range.

LE JOURNAL DE PHYSIQUE ^TOME ‘~Î~ SEPTEMBRE-OCTOBRE 1966, ¹

1. Introduction. -L’utilisation d’un

plasma

^inter-

médiaire ^comme milieu dissociateur dans une

expé-

rience de formation de

plasma

par

injection

^d’ions

moléculaires nécessite la connaissance du taux de

production

^de

protons

par ^cette dissociation. Peu de résultats concernant des mesures de section efficace de collision entre ions moléculaires et

particules chargées

^{ont été}

publiés [1], [2].

Dans le cadre de

FiG.1, ^- Schéma de

principe

^du

dispositif expérimental.

Mesure du taux de dissociation d’un faisceau d’ions moléculaires dans une colonne de

plasma.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01966002709-10059900

600

FIG. 2. ^- Vue

générale

^de l’installation.

l’expérience d’injection

^et accumulation

d’ions%à Fontenay-aux-Roses [3],

nous avons effectué des

mesures de dissociation de faisceaux d’ions molé- culaires

H+

^et

H+

traversant le

plasma

^{d’un arc au}

lithium

[4].

II.

Dispositif expérimental (fig.

^{1 et}

2).

^{- La}

méthode utilisée consiste à envoyer ^un faisceau d’ions moléculaires d’intensité et

d’énergie

^connues

à travers un

plasma

de lithium de densité connue et à mesurer le courant de

protons produits.

^Cette

mesure directe est rendue

possible

par le confi- nement du

plasma

^{de lithium dans un}

champ magné- tique

permettant ^{une densité assez forte de l’ordre} de 1012

cm-3,

^{et une} densité de _gaz neutre

beaucoup plus faible,

inférieure à 1011 molécules . cm-3. Dans

ces

conditions,

^le

taux de

dissociation du faisceau

sur le

plasma

atteint 1

%

^{et est} donc facilement

mesurable,

^tandis que les

signaux

^{dus à la disso-}

ciation sur le _gaz neutre sont tout à fait

négligeables.

Le

champ magnétique

de confinement est en outre utilisé à la fois _pour

séparer

^{des autres} compo- santes du faisceau la composante ^étudiée

(Hl

^ou

Hi)

avant son passage dans l’arc ^et pour

séparer

^les

protons produits

par

dissociation,

^{des ions molé-}

culaires non dissociés

après

passage ^dans l’arc.

En

revanche,

^{cette méthode ne} permet

qu’une

mesure de la section efficace

globale

^de

production

des protons

qui

peut ^{résulter de} différents _processus tels _{que :}

sur les différentes

espèces

^de

particules présentes

dans l’arc

(e-, Li+, Li++~,

Cette limitation n’est _pas un inconvénient _pour

l’application envisagée (formation

^d’un

plasma

^à

haute

température)

^mais

empêche

pour le moment une discussion détaillée des résultats.

Un schéma

général

^de l’installation est

présenté

sur la

figure

^{1. La source d’ions est du} type

duoplas-

matron

(1).

^{Elle est} connectée à la haute tension variable

jusqu’à

⁵⁰

kV ;

l’électrode d’extraction

(3)

est au

potentiel

^{de la masse. Le}

^faisceau,

^d’une

intensité

globale

^de

quelques milliampères,

^est

pré-

focalisé _par un

système électrostatique

décélérateur- accélérateur

(4) ; après

passage ^{à travers un} dia-

phragme

circulaire refroidi

(5)

^{il est} ensuite focalisé par ^une lentille

magnétique (6),

^{le courant dans la}

bobine ^étant

réglé

pour focaliser la

composante Hi

sur l’axe de l’arc.

601 Le faisceau _passe ensuite dans un tube de

blindage

à double

enveloppe (acier

^{doux et}

mumétal) (7),

^à

l’intérieur

duquel

^le

champ

^est suffisamment faible pour ^ne pas

perturber

^la

trajectoire

^des

ions, puis

est

injecté

^{dans le}

plan

médian de la chambre à vide de l’arc au lithium.

Le

champ magnétique

^de confinement de

l’arc,

créé par deux bobines

symétriques

par

rapport

^au

plan

^médian

(voir fig. 4),

^est

ajusté

^à

l’énergie

^du

faisceau de telle sorte

qu’après

^une déflection de

900,

la composante ^{dont le rayon de Larmor moyen}

est de 19 _{cm, passe} sur l’axe de la

décharge.

Des écrans mobiles

(13)

^{arrêtent les ions H+ et}

Hg

et définissent une fente étroite d’environ 2 cm de

longueur

suivant l’axe de l’arc et 3 à 5 mm d’ouver- ture, ^de telle sorte que seule la

partie

centrale du faisceau

d’H2

^traverse l’arc. Une _{cage de}

Faraday (9) déplacée automatiquement

^de

quelques

centimètres de part ^et d’autre de l’axe

permet

^{de mesurer le}

profil)et

l’intensité absolue du faisceau de

H~

^émer-

gent, en

l’absence d’arc.

2

La

figure

^{3 montre le}

profil

d’un faisceau

typique

de 300

VA

^{et 4 mm de}

largeur

^à mi-hauteur.

FIG. 3. ^- Profil du faisceau d’ions moléculaires

H2 .

Jo’

L’arc ^au lithium a été

décrit7par

^Fumelli

[5, 6]

(fig. 4).

^{C’est une}

décharge

reflex dans une confi-

guration magnétique

^à

miroirs ;

^{le lithium est fourni}

sous forme de _vapeur dans l’anode à l’aide d’un four à

température

contrôlée. Avec un débit de matière de

2,5

^{X 10-4}

gs-1,

^{un courant de}

décharge

allant

jusqu’à

^{5 A sous 400}

V,

^{on mesure des den-}

sités de

plasma supérieures

^{à 1012}

cm’-3,

^la

pression

de _gaz neutre autour de la

colonne,

^en

présence

^du

faisceau,

^{étant de} l’ordre de 2 X 10-6 mm

Hg.

Les ions

H2 qui

^{ne sont} pas dissociés

après

pas- sage

dans l’arc,

^sont recueillis et

enregistrés

^{sur un}

collecteur

large (9) ;

^l’accord entre cette mesure et

celle faite en

intégrant

^le

profil

^donné par la _cage de

Faraday

^{mobile est} excellent. Les ions H+ formés

FIG. 4. ^- Vue

schématique

^{de l’arc au lithium.}

1)

^{Cathode 1}

(Mo)

^{isolée. -}

2)

^Anode

(Mo)

^{à la}

masse. ^-

3)

Parois refroidies _par circulation d’eau.

-

4)

Cathode II

(W)

^{isolée. -}

5)

^Tube

(Cu)

refroidi _par circulation d’eau. ^-

6)

^{Bobines de}

champ.

-

7) Diaphragmes (Cu).

^-

8)

^{Four. -}

9)

^Tube

(Cu)

refroidi _par circulation d’eau.

par dissociation sur l’arc sont,

après

^déflection

de

180°,

recueillis _par une cage de

Faraday

^{à fente}

d’entrée fine

(0,9 mm),

^mobile

perpendiculairement

à l’axe

(8)

^{et reliée à un}

enregistreur

^XY.

III. Mesures. ^- Le taux de

production

^{d’H+ est}

mesuré à

température

^{de four constante}

(généra-

lement 725

°C)

^{en fonction du courant d’arc et de}

l’énergie

^{du faisceau}

d’H#.

^{Le courant total d’H+}

produit

^{est mesuré en}

planimétrant

^l’aire

comprise

entre la courbe relevée ^{avec arc} et le bruit de fond

(fig. 5).

^{On a ainsi la}

possibilité

d’éliminer la disso- ciation sur le _gaz neutre,

qui

d’ailleurs est

toujours négligeable.

^{On a d’autre} part

vérifié,

^{en faisant}

varier la

polarisation

^des collecteurs des _cages de

Faraday,

que les

profils

^des faisceaux d’H+ et

d’H2

n’étaient _pas

perturbés

par les électrons

secondaires,

ce

qui

^était

prévisible

^{car la valeur du}

champ magné- tique

^{rend très}

petit

le rayon de

giration

^{des élec-}

trons. On vérifie

enfin,

^{en mesurant le courant} reçu par le collecteur en

présence d’arc,

^{mais sans faisceau}

que le courant d’ions Li froids diffusant hors de l’arc et

qui pourrait

^{tomber sur} le collecteur est tout à fait

négligeable.

La

figure

^{6 montre} le nombre _moyen d’H+ _pro- duits _par ion

H2

^{incident à 35 keV en fonction du}

courant d’arc. On voit _que ^ce nombre croît

réguliè-

rement

jusqu’à ^lare

^{= 5 A.}

Cependant,

pour des

courants

supérieurs

^{à 5}

A,

l’arc devient

instable,

^son

diamètre augmente notablement et des ions Li chauds commencent à être recueillis _par le collec- teur ;

le

^courant d’H+ diminue alors de moitié. Les

mesures

qui

^{vont être}

rapportées

^ont

toujours

^été

faites en ’dehors de ce

régime

^{instable. La courbe a}

été tracée

d’après plusieurs

^{séries de}

points

^obtenus

sur une

période

^de

temps

de l’ordre d’un mois et

donne ainsi une idée de la

reproductibilité

^des

résultats.

39

602

FIG. 5. ^-

Répartition spatiale

^{des ions}

^atomiques

formés _par dissociation _pour différentes valeurs du courant d’arc.

FIG. 6. ^- Nombre moyen d’ions

atomiques produits

^par

ion moléculaire ^{incident en} fonction du courant d’arc.

La densité

superficielle

des électrons dans l’arc

Î f n , dl le ^long

d’un diamètre de

l’arc

^{est mesurée}

par

interférométrie

^de microondes en 8 ^{mm. Pour} avoir ^une meilleure

sensibilité,

^{on utilise un}

système d’interférométrie polaire [7] permettant

^de lire direc-

. tement le

déphasage

^{du faisceau} micro-ondes ayant traversé l’arc _par

rapport

^au faisceau témoin. ^Le schéma de

principe

^est

représenté

^{sur la}

figure ^{7 ;}

^les

lentilles ^en

plexiglass

^{ont une} distance focale ^de 30 cm. Le diamètre mesuré de ^la tache focale ainsi obtenue ^est d’environ ^{30 mm à} mi-hauteur ^alors que le diamètre ^de l’arc vaut environ 50 ^mm. On

peut

^donc considérer _que ^{cette mesure}

représente

bien le « chemin

optique »

^{d’un ion}

Hi

^{à travers l’arc.}

La

figure

^{8 montre la valeur de la densité super-}

ficielle ^en fonction du ^courant d’arc _pour différentes

FIG. 7. ^- Schéma de

principe

^{de la mesure de la densité}

électronique superficielle

^du

plasma

de lithium _par interférométrie

polaire

^{en 8 mm. -}

1) Système

^de

focalisation. ^-

2)

^{Antennes. -}

3)

Isolateurs ferrite.-

4) Coupleurs

^{3 dB. -}

5)

^Cristaux détecteurs. ^-

6) Déphaseurs réglables.

^-

7)

Atténuateur

réglable. - 8) Amplificateurs

différentiels.

FIG. 8. ^- Densité

électronique superficielle

^le

long

^d’un diamètre ^{en fonction du courant d’arc} pour différentes valeurs ^du

champ magnétique.

valeurs du

champ magnétique

de confinement.

Une section efficace moyenne de

production

^de

protons par

paire

^de

charges

élémentaires peut ^être déduite ^de ces mesures. Nous posons par définition

603

a

dépend a priori

^de

l’énergie

^{des ions}

H2

^{et des}

caractéristiques

de l’arc mais non de sa densité.

Si _{6e, aL;+ +}

représentent

les sections effi-

caces de

production

^de protons

respectivement

^sur

les

électrons,

^{les ions}

Li+,

^{Li++ on aura}

puisque

^{l’arc est}

électriquement

^neutre.

Dans

^{le cas de l’arc}

^étudié,

^{Fumelli a montré}

^qu’il

n’y

^a pas de Li + + + ce

qui

^est normal du fait de la faible

température électronique

^{des électrons}

(1 : 2 ^{eV) [5], [6].}

Si nous supposons que les

changements

^{dans le}

rapport ^des

populations

^{de Li+ à Li++ en fonction}

du courant d’arc est suffisamment

faible,

^ou que 6L;+ + ⁼

26Li+,

^{a doit être}

indépendant

^{du courant}

d’arc et ne

dépendre

que de

l’énergie

^{des ions molé-}

culaires.

La

figure

^{9 montre} le résultat des mesures de 6

pour des

H2

^{de 35 keV en fonction du courant}

FIG. 9. ^- Section efficace de

production

^{d’ions ato-}

miques

par

paires

^de

charges

élémentaires en fonction du courant d’arc

(ions

^incidents

H ~

^{à 35}

keV).

d’arc. On constate que la

répartition

^des

points

autour de la valeur moyenne ^est

approximativement

une

gaussienne

^{avec une erreur}

quadratique

moyenne d’environ 10

%

^et

qu’il n’y

^a pas de

signe

évident d’une variation

systématique

^{de ci en fonc-}

tion de

Iarc·

^{Il en est de même aux autres valeurs}

de

l’énergie

^ce

qui

permet ^{donc de définir 6 en} fonction de la seule

énergie

^{des ions} moléculaires.

IV. Résultats. ^- Les

figures

^{10 et 11}

repré-

sentent les sections efficaces de

production

^{de pro-}

tons par

paire

^de

charges

élémentaires

respecti-

vement pour la dissociation des

H+

^{et des}

Hj .

^Pour

cette dernière _mesure, le

champ magnétique

^de

confinement est

ajusté

pour que la

partie

centrale du faisceau de

H+

passe suivant

l’axe,

^{H+ et}

H+

^étant

arrêtés par les écrans.

FIG. 10. ^- Section efficace de

production

^{d’ions ato-}

miques

par

paires

^de

charges

élémentaires en fonction de

l’énergie

^des ions moléculaires

H2

^incidents.

Flc. 11. ^- Section efficace de

production

^{d’ions ato-}

miques

par

paires

^de

charges

élémentaires en fonction de

l’énergie

^des ions moléculaires

Ht

^incidents.

Chaque point

^{est la} moyenne de 20 à 30 mesures

indépendantes.

Les barres verticales

représentent

l’erreur

quadratique

moyenne. On a écarté certaines

mesures

correspondant

^{à des} valeurs de

Varc

^et

Iar

en dehors de la

caractéristique

moyenne, dues vrai- semblablement à des variations de la

température

du

four,

^{donc de la}

pression

du lithium.

On voit _que est

pratiquement

^constant

entre 20 et 50 keV.

Bogdanov

^{et al.}

[2]

^ont

publié

des ^mesures

analogues

^{faites sur}

Ogra

^{entre 40 et}

160 keii. Ils trouvent 6 ~

1,0

^{X 10-15 cm2 et}

prati- quement indépendant

^de

l’énergie.

^Pour

qui

varie _peu entre 20 et 35 keV on trouve que le taux de

production

^{est d’environ}

^2,5

^fois

plus

^faible que pour

H2 .

604

La

comparaison

^{de ces résultats avec la disso-}

ciation sur les gaz ^montre que la section efficace sur une

paire

^ion lithium-électron est, pour environ quatre ^fois

plus grande

que ^{sur une} molécule

d’hydro gène.

L’utilisation d’un tel arc comme milieu disso- ciateur peut ^donc éventuellement s’avérer intéres-

sante. Elle nécessite néanmoins la connaissance des sections efficaces

d’échange

^de

charge

^des protons dans l’arc. Ces mesures sont actuellement en cours.

Des considérations

géométriques simples

^mon-

trent que le

profil

^{du faisceau} de H+ mesuré par le collecteur mobile

(fig. 5)

^{se déduit} par ^une

simple

affinité du

profil

^{de densité de l’arc. Si on connaît 6,}

c’est-à-dire si on a t étalonné» le

système,

^{on a}

ainsi une méthode non

perturbatrice

pour ^mesurer le

profil

de densité du

plasma.

Manuscrit _reçu le 18 mars 1966.

RÉFÉRENCES [1]

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(G. H.),

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^{des Plasmas et la}

recherche concernant la fusion nucléaire

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Physique (Phys. Appliquée), 1963,

24,

3,

^{76 A.}

ANALYSE DES COURBES DE

DÉCROISSANCE

RADIOACTIVE Par Mme S.

COUCHOUD,

Institut de

Physique

^{Nucléaire de}

Lyon,

^France.

Résumé. ²⁰¹⁴ A l’aide d’un ordinateur du type ^{CAE 510}

(taille moyenne),

nous avons

trouvé une solution au

problème

^de

l’analyse

de courbes de décroissance ^en utilisant 5 _pro- grammes ^{très courts en}

langage

^Fortran.

Abstract .2014 In this _paper we have resolved the

complex decay

^{curves to obtain the initial}

activity

^{and the}

decay

^{constants with 5} circulation _programs for a computer ^{CAE 510.}

LE JOURNAL DE PHYSIQUE ^TOME 27, SEPTEMBRE-OCTOBRE 1966,

A notre

connaissance,

^le

problème

^de

l’analyse

^des

courbes de décroissance radioactive a été résolu

jusqu’ici

d’une manière entièrement satisfaisante seulement à l’aide de

grands

ordinateurs. Les calculs basés ^{sur une} transformation de Fourier nécessitent

une très

grande quantité

^de sous-programmes ^et les programmes ^eux-mêmes

comportant jusqu’à

^{20 000}

instructions ^sont alors inutilisables sur des moyens

ou

petits

ordinateurs.

Ici,

nous avons

essayé

^de composer ^une série de programmes

permettant

^{avec une machine} compor- tant au moins 4 000 mots mémoire de résoudre ce

problème

^très

important

de radiochimie ^sans être limité par ^le nombre de composants.

Tous nos programmes ^sont écrits dans un Fortran de base et aucun d’eux ^ne

dépasse

100 instructions.

Cinq

programmes différents ont été mis ^au

point

pour

analyser

des courbes de décroissance suivant les différents

renseignements qui

^{nous ont été donnés.}

Les

points

^{de mesure} de décroissance radioactive peuvent ^être

ajustés

par la courbe suivante :

où À

représente

^{la constante} radioactive du K ^ième

élément, Ak

^{le taux de}

comptage initial,

y le taux

au temps ^{x. A}

chaque

temps xi

correspond

^{alors une}

mesure y2. Si on fait N _mesures, on a donc N

équa-

tions de _{genre :}

Dans un

premier

programme nous avons

supposé