comportement d`une décharge d`arc a cathode creuse a basse

COMPORTEMENT D’UNE DÉCHARGE D’ARC A
CATHODE CREUSE A BASSE PRESSION DANS UN
CHAMP MAGNÉTIQUE
H. Minoo, A. Trindade
To cite this version:
H. Minoo, A. Trindade. COMPORTEMENT D’UNE DÉCHARGE D’ARC A CATHODE
CREUSE A BASSE PRESSION DANS UN CHAMP MAGNÉTIQUE. Journal de Physique
Colloques, 1968, 29 (C3), pp.C3-83-C3-85. <10.1051/jphyscol:1968320>. <jpa-00213558>
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Submitted on 1 Jan 1968
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JOURNAL Dl3 PHYSIQUE
Colloque C 3, suj)pliment au no 4, Tome 29, avril 1968, page C 3-83
COMPORTEMENT D'UNE DÉCHARGE D'ARC A CATHODE CREUSE
A BASSE PRESSION DANS UN CHAMP MAGNÉTIQUE
H. MINOOet A. R. TRINDADE
(')
Laboratoire de Physique des Plasmas, Faculté des Sciences d'Orsay
Résume. - Pour une décharge d'arc à cathode creuse opérant il faible débit d'injection de gaz
et en présence d'un champ magnétique B, nous avons observé deux régimes différents de fonctionnement selon que le champ magnétique est inférieur ou supérieur à une valeur critique Be. Pour
ce champ B,!et pour les électrons ayant quelques eV d'énergie, le rayon de Larmor (rb)ccorrespond
au rayon intérieur ( r ) de la cavité cathodique. Nous avons constaté que le produit r x Bc était
constant pour différentes valeurs de r.
Abstract. - In a hollow-cathode arc discharge working at low gas flow rates in an axial
magnetic field B, a change in the regime of operation occurs beyond a critical value of the field Be.
For this field B, and for electrons having encrgies of a few eV, the Larmor-radius ( r & corresponds
to the interna1 radius r of the cathode cavity. The product r x Bc was found to be constant for
different values of r .
1 . Introduction. - Cette expérience avait pour
b u t d'étudier l'influence d'un champ magnétique axial
extérieur B sur une décharge a cathode creuse travaillant en régime d'arc.
Les paramètres fondamentaux d'une telle décharge
sont : la tension V e t le courant I de la décharge, le
débit d'injection de gaz Q, la valeur d e B, la longueur
d e l'arc L et la géométrie des électrodes.
En laissant inchangés Q, L et la géométrie des Clectrodes, les caractéristiques V - I d e la décharge ne
dépendent que d e B. O n peut établir la relation entre V,
I et B en variant B et cn mesurant les valeurs de V et
d e 1correspondantes. La résistance de charge et la tension d e l'alimentation de la décharge doivent rester
constantes.
sie arbitrairement (Io = 40 A pour B = O), et nous
avons augmenté graduellement le champ magnétique.
Les résultats apparaissent dans les figures 1 et 2. On
2. Dispositif expérimental et résultats. - Le
système de décharge utilisé est celui de la décharge à
cathode creuse classique [Il. La cathode est constituée
d'un tube d e tantale qui forme une cavité cylindrique
par où on introduit continuellement d e l'argon. La
pression en dehors de la cavité cathodique est maintenue
entre
et 10-2 torr (selon le débit d e gaz) à l'aide
d'un système d e pompage convenable. Nous avons
d'abord utilisé un champ magnétique continu pouvant
atteindre 1 kG. La valeur initiale du courant a été choi-
(1)
Boursier de 1'Instituto de AIta Cultura (Portuaal,.
O
100
200 B(G) 300
FIG. 1. - Effet d'un champ magnétique continu B
sur le courant de la décharge 1.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1968320
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H. M I N 0 0 ET A. K. TRINDADE
peut remarquer que, pour les faibles débits d'injection
de gaz, il y a un changement brusque de la tension et du
courant de la décharge. Ce changement se produit à
une valeur déterminée de B que nous avons appelée le
champ critique B,. Ce champ sépare deux régimcs
Temps (5rn s
/division)
FIG. 3. - Effet d'un champ magnétique alternatif
sur V et 1 de la décharge.
Q = 0,14 cm3/s (T. P. N.) ; r 0,105 cm.
-
façon les valeurs de B, (correspondantes au coude qui
sépare les deux régions), sont presque identiques à
celles des mesures précédentes. Le tableau 1 résume
l'ensemble des résultats.
FIG.2. - Effet d'un champ magnétique continu B
sur la tension d e la decllarge V.
différents : le premier (faible courant-forte tension)
apparaît pour B < B,; le deuxième, pour B > B,,
semble être plus efficace, avec une conductivité globale
de la décharge supérieure à celle du premier régirne.
L'inconvénient de cette méthode est son imprécision
due aux effets thermiqucs qui ont le temps d'intervenir.
En vue de diminuer cette imprécision, nous avons fait
une autre série de mesurcs, en utilisant cette fois-ci un
champ magnétique alternatif (50 Hz). Nous avons
varié Q de 5 à 0,l cm3/s à T. P. N. et le diamètre intérieur de la cathode de 0,16 à 0.66 cm. L'épaisseur de la
paroi de la cathode ( e = 0,02 cm), la géométrie de
l'anode, la longueur de l'arc et le courant moyen
(1, = 25 A) de la décharge étaient maintenus constants.
Nous avons montré les résultats d'une de ces mesures
sur la figure 3. Comme prévu, la forme des variations
de V et I en fonction de B est quelque peu différente de
celle des mesures antérieures, mais elle est plus fidèle à
cause des effets thermiques moins prononcés. De toute
3. Discussion. - Le point intéressant de ce mode
d'opération de la décharge consiste dans le fait que le
produit r x B, est constant, dans les limites des erreurs
de mesures, pour plusieurs valeurs de r et pour chaque
débit. Une explication possible de ce phénomène est la
suivante :
A chaque B, il correspond un rayon de Larmor
électronique (r,), qui est une fonction de la tenipérature
des électrons Te. Si on évalue ces rayons pour les
valeurs de B, mesurécs et pour Te compris entre 1 et
10 eV, on trouve qu'ils sont du même ordre de grandeur que le rayon intérieur de la cathode. Considérons
maintenant le cas d'un faible débit d'injection du gaz où
COMPORTEMENT D'UNE DÉCHARGE D'ARC A CATHODE CREUSE
une partie non négligeable de la colonne positive se
trouve à I'intérieur de la cavité cathodique ; si on suppose qu'en augmentant B au-delà de B,, le rayon de
Larmor des électrons devient plus petit que le rayon de
la cavité ( r , < r ) les électrons pcrdront moins d'énergie sur la paroi de la cathode que dans le cas où
B < B, ; on aura donc une augmentation de l'énergie
disponible pour les processus d'ionisation ou d'excitation des atomes du gaz. Le résultat global est évidemment une augmentation de l'efficacité et de la conductivité de la décharge.
La condition pour que ce mécanisme de confinement à I'intérieur de la cavité cathodique puisse avoir
lieu c'est qu'on y vérifie la relation
Si on calcule la fréquence de collision pour les chocs
électron-ion dans un gaz complètement ionisé pour
les deux densités extrêmes de n e = 1016 et 1013 particules/cm3 du plasma à I'intérieur de la cavité, on
trouve pour une température moyenne de 5 eV :
Pour B,
=
C3-85
100 G la fréquence gyromagnétique étant
w, = 1,7 x 109 s-', on peut conclure que la condition (1) n'est vérifiée que pour les faibles débits, auxquels correspondent les densités plus faibles.
En plus, la zone active se déplaçant davantage vers
I'intérieur de la cavité cathodique quand le débit
diminue, la portion de plasma concerné par ce phénomène est plus grande que dans le cas des débits forts où
la zone active est très près du plasma extérieur.
Si cette explication se montre satisfaisante, le rayon
intérieur de la cavité nous donnera le rayon de Larmor
des électrons soumis au champ magnétique critique, et
cela nous fournit alors un moyen très simple d'évaluation de la température électronique à I'intérieur du
tube.
Dans le cas présent, l'application de cette méthode
nous donne Tc = 2,2 eV pour Q = 0,l cin3/s et
Te = 8,8 eV pour Q = 0,3 cm3/s, qui sont bien cn
accord avec les valeurs prévues.
Bibliographie
[l] LIDSKY(L. M.), ROTALEDER
(S. D.), ROSE (D. J.),
Y~SHIKAWA
(S.), MICHELSON
(C.)et MACKIN
Jr
(R. J.), J. Appl. Phys., 1962, 33, 2490.