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

COMPORTEMENT D’UNE D´ ECHARGE D’ARC A
CATHODE CREUSE A BASSE PRESSION DANS UN
CHAMP MAGN´ ETIQUE
H. Minoo, A. Trindade
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H. Minoo, A. Trindade. COMPORTEMENT D’UNE D´ ECHARGE D’ARC A CATHODE
CREUSE A BASSE PRESSION DANS UN CHAMP MAGN´ ETIQUE. Journal de Physique
Colloques, 1968, 29 (C3), pp.C3-83-C3-85. <10.1051/jphyscol:1968320>.<jpa-00213558>
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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. MINOO et 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 fonction-
nement 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
but d'étudier l'influence d'un champ magnétique axial
extérieur
B sur une décharge a cathode creuse travail-
lant en régime d'arc.
Les paramètres fondamentaux d'une telle décharge
sont
: la tension V et le courant I de la décharge, le
débit d'injection de gaz
Q, la valeur de B, la longueur
de
l'arc L et la géométrie des électrodes.
En laissant inchangés
Q, L et la géométrie des Clec-
trodes, les caractéristiques V - I de la décharge ne
dépendent que de
B. On peut établir la relation entre V,
I et B en variant B et cn mesurant les valeurs de V et
de
1 correspondantes. La résistance de charge et la ten-
sion de l'alimentation de la décharge doivent rester
constantes.
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 de tantale qui forme une cavité cylindrique
par où on introduit continuellement de l'argon. La
pression en dehors de la cavité cathodique est maintenue
entre et 10-2 torr (selon le débit de gaz)
à l'aide
d'un système de 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,.
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
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

C3-84 H. MIN00 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 de 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 inté-
rieur 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 gran-
deur 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 C3-85
une partie non négligeable de la colonne positive se
trouve
à I'intérieur de la cavité cathodique ; si on sup-
pose 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'éner-
gie 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'exci-
tation des atomes du gaz. Le résultat global est évidem-
ment une augmentation de l'efficacité et de la conduc-
tivité de la décharge.
La condition pour que ce mécanisme de confine-
ment
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
ne = 1016 et 1013 parti-
cules/cm3 du plasma à I'intérieur de la cavité, on
trouve pour une température moyenne de
5 eV :
Pour B, = 100 G la fréquence gyromagnétique étant
w, = 1,7 x 109 s-', on peut conclure que la condi-
tion
(1) n'est vérifiée que pour les faibles débits, aux-
quels 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 phéno-
mène 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'évalua-
tion 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.