source d`ions a champs croisés et haute tension d`anode

SOURCE D’IONS A CHAMPS CROIS´ ES ET HAUTE
TENSION D’ANODE
A. Bariaud, J. Druaux, F. Pr´evot
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A. Bariaud, J. Druaux, F. Pr´evot. SOURCE D’IONS A CHAMPS CROIS´ ES ET HAUTE
TENSION D’ANODE. Journal de Physique Colloques, 1968, 29 (C3), pp.C3-80-C3-82.
<10.1051/jphyscol:1968319>.<jpa-00213557>
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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
et 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 du 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
(VA = 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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faisceau en fonction du temps est constituée d'une
croissance exponentielle suivie d'une chute brusque. Ce
phénomène se reproduit d'une manière périodique
à
la fréquence f. Il se superpose à cette oscillation de
fréquence
f des fluctuations quasi sinusoïdales de
fréquence
F plus élevées quef, mais d'amplitude beau-
coup plus faible.
RG. 4. - Fréquence F de la modulation
du courant
en fonction de la tension d'anodc VA
ct du champ magnétique Br.
Les variations de la fréquence ont été mesurées :
fest proportionnelle à la tension d'anode et à la pres-
sion dans la chambre
à décharge ; d'autre part elle
diminue légèrement lorsque le champ magnétique
augmente. Il semble que le mécanisme de cette oscilla-
tion de relaxation soit lié
à une instabilité de la gaine
électronique due
à l'effet diocotron [2] dans ce type
de décharge.
Les valeurs dc la fréquence
F mesurées (Fig. 4) sont
en bon accord avec la fréquence de dérive des élec-
trons dans les champs croisés
:
Références
[l] BARIAUD (A.), COUTANT (J.), DRUAUX (J.), PREVOT (F.),
VIe Conf. Ioniz. Phen. in gases, Paris, 1963,
II,
p. 411.
[2] KNAUER (W.) and POESCHEL (R. L.), VIJC Conf. Ioniz.
Phen. in gases, kograd, 1965, II, p. 719.