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Plasmasfroids radiofréquence
montreaisémentque latempérature électronique ne
dépend que duproduitde lapression dugazinjecté,p net
de lataille caractéristique duplasmad: , et
non pasde cesgrandeurs séparément.Sous leshypothè-
ses retenues,on noteraque latempérature électronique
quis’établitdans une décharge donnée ne dépend pas
directementde ladensité de chargesn(0)au sein du
plasma.Cette densité étantimposée parlapuissance élec-
trique fournie augazpour créerle plasma, le transport de
lamatière etde l’énergie peuventêtretraités séparément
danscetype de décharge. En outre,le flux d’ionspositifs
aux paroisest proportionnel àn (0),soit.
Cesconsidérations sur le transport àhaute pression de
gazinjectéremontentàun desarticlesfondateurs de la
physique desdéchargespubliésparWalterSchottkyen
1924. La description du transport dans unrégime de pres-
sionsintermédiairesplus caractéristique desplasmas
froids radiofréquences(entre1et100 mTorr)aété propo-
sée parle physicien russeValery Godyak danslesannées
1980.On montre que ladensité obéitàune équation diffé-
rentielle non-linéaire,etque le plasmatend àêtre plus
uniforme aucentre de ladécharge, avecdes variations
plus abruptesauniveaudesparoisque dansle casdu
transport linéaire.
Rôle de ladéplétion danslesplasmas
fortementionisés
Nous avons récemmentétenducesmodèlesde trans-
port linéaire etnon-linéaireaux casdesplasmasfroids
plus fortementionisés telsque l’on peut les rencontrer
parexemple dansle cadre de lapropulsion parplasmas
(cf. Imagesde la Physique2003-2004). Lorsque les taux
d’ionisation deviennentplus importants,on ne peut plus
considérerque ladensité desneutres reste non affectée
parlesmécanismesd’ionisation (ce que nous avions
considéré danslasection précédente),etl’on doit reconsi-
dérerle problème de ladiffusion en couplantle mouve-
mentdesparticuleschargéesetdesespècesneutres.
L’effetprincipal est un phénomène de déplétion desespè-
cesneutresaucentre de ladécharge. Ce mécanisme peut
êtrecomprisen remarquantque lapression totale du sys-
tème constitué desélectrons,desionsetdesneutresdoit
seconserveràtravers ladécharge :
(1)
La pression de neutres,p n ,doitdoncdiminuerlàoùla
pression descharges, , est élevée, c’est-à-direau
centre de ladécharge. Plus précisément,pour cesmilieux
diluésoùlarelation d’étatdesgazparfaits peut
êtreutilisée pour chaquecomposante duplasma, la chute
de densité desneutresaucentrenn (0) par rapport à celle
qui est observée aumur n n (d),s’obtientdirectementàpar-
tirde l’équation (1). Ontrouveaussitôt:
(2)
oùT e ,T i ,T ndésignentles températures–supposées uni-
formes– desdifférentescomposantesduplasma(on a
encoreutilisé la condition ). Comme le rapport des
températuresest de l’ordre de 100,des taux
d’ionisation, , de l’ordre dupourcent sont suffi-
sants pour produire deseffets significatifsde déplétion.
La température électronique etlaforme précise des
profilsde densitésdoiventdoncêtreconsidéréesànou-
veauen prenanten compteceteffetde déplétion desneu-
tres.On montre que lagénéralisation laplus immédiate
ducasconsidéré danslasection précédenteconduitàdes
profilsde densitésquirestentde formes sinusoïdales
maisavecune « phase »,f(z ),non linéaire:
(le casde ladiffusion traité précédemmentcorrespondait
aucas simple etlinéaire,où). D’une
façon générale,l’effetde déplétion vade pairavecune
plus grande uniformité desprofilsde densitésaucentre,
des températuresélectroniquesetdesflux aux paroisplus
élevés.Ceseffets sontd’autantplus importants que le
taux d’ionisation est élevé. Contrairementaucas sans
déplétion,latempérature électronique dépend àlafoisdu
produitpression-taille caractéristique du réacteur etde la
densité de chargesaucentre duplasma.Letransport de
matière etd’énergie doitdoncêtretraitésimultanément
dans une approche auto-cohérente. Enfin,le flux d’ions
positifsaux paroisn’est plus proportionnel àladensitéau
centre,àsavoir.
Réduction du transport
parleschampsmagnétiques
Il est bien connuen physique desdéchargesque la
présence d’unchamp magnétiqueaméliore le confine-
mentcarles trajectoires suiviesparlescharges s’enrou-
lentautour deslignesde champs.La diffusion duplasma
dansladirection transverseauchamp s’en trouve limitée,
ce qui permet un maintien duplasma avecde plus faibles
températuresélectroniques.
La nature de ce mouvementbidimensionnel dansle
plantransverseauchamp magnétiquecompliquesingu-
lièrementl’analyse. En particulier,il n’est plus stricte-
mentpermisde considérerlesélectronscomme suivant
une distribution de Boltzmann, comme on le faitpour les
déchargesnon magnétisées.Nous avonscependantpu
formuleret trouverdes solutionsapproximatives satisfai-
santesdanslasituation typique expérimentale de champs
magnétiquesd’intensitésmodérées(diversesinstabilités
se manifestentau-delàde quelquescentainesde Gauss
quirendent une analysestationnairesansfondement).
Danscesconditions,on montre que l’équation (2) prend
laforme approximative:
(3)
nd n
n
TT
T
n
n
nn
n
ei
nn
() (0)
(0)
(0)
(0)
−=+
nd n
n
TT
T
n
n
nn
nB
ei
nn
() (0)
(0)
1
1
(0)
(0)
−≈+
+
δ