HAL Id: jpa-00213557
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Submitted on 1 Jan 1968
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SOURCE D’IONS A CHAMPS CROISÉS ET HAUTE TENSION D’ANODE
A. Bariaud, J. Druaux, F. Prévot
To cite this version:
A. Bariaud, J. Druaux, F. Prévot. SOURCE D’IONS A CHAMPS CROISÉS ET HAUTE TENSION D’ANODE. Journal de Physique Colloques, 1968, 29 (C3), pp.C3-80-C3-82.
�10.1051/jphyscol:1968319�. �jpa-00213557�
JOURNAL DE PHYSIQUE Colloque C 3, supplément au no 4, Tome 29, uvril 1968, page C 3 - 80
SOURCE D'IONS A CHAMPS CROISES ET HAUTE TENSION D'ANODE
A. BARIAUD, J. DRUAUX, F. PREVOT
Groupe de Recherche de l'Association Euratom-C. E. A. sur la Fusion, 92-Fontenay-aux-Roses
Résumé. - Dans une décharge annulaire à champs croisés (Br x E,) le spectre d'énergie des ions expulsés par le champ Ez a pu être étendu jusqu'k 35 keV. Le champ magnétique Br et la dispersion d'énergie des ions émis par la décharge se traduisent par un profil de faisceau élargi et divergent radialement. Cette divergence angulaire peut être réduite par une compensation du flux magnétique traversé par le faisceau des ions. Les courants de la décharge et du faisceau sont modulés par des fluctuations quasi périodiques. Ces fluctuations sont liées à la fréquence de dérive des électrons dans les champs croisés et à l'instabilité de la gaine électronique. Il est possible d'attribuer le mécanisme de cette instabilité à l'effet diocotron.
Abstract. - In a crossed-field annular discharge (Br x Ez) the energy spectrum of the ions, expelled from the discharge by the electric field EZ is extended up to 35 keV. Due to the magnetic field Br and energy dispersion of ions, the profile of the beam is enlarged and radially divergent.
This divergence can be reduced by a magnetic flux compensation along the ion beam. The discharge and beam currents are modulated by quasi-periodics fluctuations. These fluctuations are asso- ciated with the electron drift frequency in crossed fields and with an instability of the electric sheath. This instability can be attributed to the diocotron effect.
1. Introduction. - Pour étudier et améliorer la stabilité des plasmas produits par injection, capture et accumulation de particules rapides, la dispersion d'énergie de ces particules doit être importante. Nous avons montré dans une publication précédente [Il qu'un faisceau d'ions etait auto-extrait d'une décharge à champs croisés A basse pression et présentait une large gamme d'énergie, pratiquement égale à la diffé- renceldeypotentiel entre l'anode et la cathode de la décharge.
Le but du travail présenté ici est d'étudier la pnssi- bilité de créer un faisceau d'ions cylindrique creux comportant une forte dispersion d'énergie.
II. Dispositif expérimental. - La source d'ions représentée sur la figure 1 a la symétrie axiale. Le champ électrique Ez est pratiquement parallèle à l'axe e t le champ magnétique est pratiquement radial dans la zone annulaire proche de l'anode oii s'établit la décharge. Sur la figure 2 nous avons représenté la composante Br du champ magnétique en fonction de z au rayon moyen de l'anode.
Le gaz (hydrogène) est injecté près de l'anode et évacué par un système de pompage classique de débit 1 000 1s-'. La pression du gaz dans la chambre à décharge est réglable entre IO-' et mm Hg. La décharge a lieu devant l'anode dans la région des
champs croisés et les ions formés sont expulsés de la FIG. 1. - Source d'ions cylindrique décharge par le champ électrique axial. à champs croisés E, x Br.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1968319
FIG. 2. - Composante Br du champ magnétique en fonction de la distance axiale s, mesurée au rayon de i'anode.
Afin de pouvoir produire une décharge avec une tension d'anode aussi haute que possible, les isolateurs étanches supportant l'anode ont été localisés dans une région où le champ magnétique a une faible valeur et une direction parallèle au champ électrique (voir Fig. 1). Cette disposition nous permet un fonctionne- ment de la décharge sans claquages jusqu'à 35 kV.
Sur les figures 3a et 3b nous avons représenté le cou-
FIG. 3a.
-Courant d'anode de la décharge en fonction de la tension d'anode. Pression dans la décharge : 10--3 mm Hg.
FIG. 3h. -Courant cible au travers d'un canal de rayon moyen 100 mm (égal au rayon de l'anode), de largeur 2 mm et de longueur 27 mm, en fonction de la tension d'anode.
rant d'anode I, et le courant cible I, en fonction de la tension d'anode pour plusieurs valeurs du champ magnétique.
III. Trajectoires des ions et profil du faisceau. - Le profil transversal d u faisceau est mesuré par une sonde qui peut se déplacer le long d'un rayon pour différentes valeurs de la distance z dont l'origine est comptée à partir de la cathode. Un résultat typique est montré sur la figure 1. Au voisinage immédiat de la source le maximum de densité dans le faisceau est localisé sur un rayon plus petit que celui de l'anode, et le faisceau est même coupé, dans certains cas, par le bord de la paroi interne de la chambre à décharge.
Si nous suivons le faisceau le long de z nous voyons que celui-ci est convergent au départ de la source mais qu'après une certaine distance il devient divergent.
Dans un cas typique ( V A = 15 kV ; B,,, = 750 gauss) le diamètre minimum du faisceau vaut 15 cm (diamètre initial 20 cm) à 12 cm de la source.
La convergence initiale du faisceau est liée à la distri- bution spatiale des champs électriques et magnétiques près de l'anode. La position de l'anode est mécanique- ment ajustable par rapport aux pièces polaires et ce mouvement change l'angle initial du faisceau.
La divergence et la dispersion angulaire ultérieures du faisceau peuvent être expliquées par la vitesse azimutale des ions qui est due au champ magnétique radial. Si nous supposons la vitesse initiale parallèle à z au rayon initial R,, le rayon à la cote z sera donné par :
(q,, mi, eV, sont respectivement : la charge, la masse et l'énergie cinétique des ions du faisceau). Sur la figure 1 on a porté les résultats expérimentaux pour un faisceau obtenu avec une tension d'anode de 15 kV, ainsi que les trajectoires calculées pour des ions HZ de 7'5 keV et de 50 keV d'énergie et l'angle initial observé expérimen- talement. L'accord entre les observations expérimen- tales et les calcuIs est bon et nous pensons que le méca- nisme proposé rend compte de la divergence du fais- ceau. Pour diminuer cet effet, gênant lorsqu'il s'agit de focaliser un tel faisceau, nous pouvons, soit augmenter l'énergie des ions, soit, de préférence, établir hors de la source un champ magnétique Br compensateur de signe opposé à celui de la source.
IV. Fluctuations des courants. - Les courants de la décharge et du faisceau sont modulés par des fluctuations quasi périodiques. La forme du courant du
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