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Etude d'une source d'ions a forte intensite et a rendement eleve
NUCLEAR
INSTRUMENTS
AND
METHODS
34 (I965) 328-340; ©
NORTH-HOLLAND
PUBLISHING
CO.
ETUDE D'UNE SOURCE D'IONS A FORTE INTENS1TE E T A RENDEMENT ELEVE J. F. BONNAL, J. GIACOMINI, G. MAINFRAY, C. MANUS et J. MORELLEC Services de Physique Appliqude, Commissariat d l'Energie Atomique, Cens, Gif-sur-Yvette, S. et 0., France
Re~u le 10 Novemhre 1964 Study of an electron-bombardmention source which produces a mercury beam with current intensity over 0.3 A and mass utilization efficiencyof about 80 percent. A 10 cm diameter cylindrical source is described which operates with mercury vapour pressure between 10-4 and 10-3
torr. The magnetic field is about 50 G. A certain particular type of this source can operate without magnetic field. A study of the plasma in the source brought out optimum operating conditions required to obtain high intensity and effacieneybeams.
1. Introduction
de vapeur de mereure. Ce d~bit Q (g/h) en fonetion de la teml~rature est pr6d6termin6 par des ~talonnages r6alis6s en pesant la chaudi~re avant et apr~s fonctionnement h la teml~rature 0 °C r~gul~e pendant un intervalle de temps eonnu.
Les sources d'ions & hautes performances (en particulier rendement d'utilisation 61ev6) pr~sentent un grand int6r~t dans diff6rents domaines tels que la s~paration 61eetromagn6tique, la fusion thermonucl~aire et la propulsion ionique. La voie g6n6ralement suivie pour r6pondre h ces exigences eonsistait h d~velopper des sources du type duoplasmatron. Mais pour obtenir un faisceau ayant une ~mittance satisfaisante, le plasma de forte densit~ produit par le duoplasmatron doit traverser une r6gion d'expansion dans des cofiditions assez critiques avant de donner naissance au faisceau ioniquel). I1 a paru plus int~ressant de s'orienter vers une autre voie ouverte par l'6tude de sources r6alis~es pour la propulsion 61eetrique et qui sont caract6ris6~s par de plus faibles densit6s ioniques. L'objet de ce pr6sent article est de d~tailler les performances d'une source h ionisation par bombardement ~leetronique dont la premi&e mise en oeuvre dolt &re attribu6e h Kaufman2-4). L'originalit~ et l'eflicacit6 de cette source h g~om~trie cylindrique r~side essentiellement dans sa faible pressi0n d'atomes neutres iet son volume d'ionisation relativement grand. ~. Tous :les r~sultats qui vont ~ p r ~ s e n t ~ s se rapportent h u n fonetionnement de la ~firce avee du mereure. 2. Description de la source , Cette source h ionisation par bombardement ~lectronique est sch6matis6e sur la fig. I et repr6sent6e sur la photo 1. a. Le mercure vaporis6 dans une chaudi~re entour6e de r6sistances ehauffantes (thermoeoax) I~n~tre dans la chambre d'ionisation par l'interm6diaire d'un distributeur destin6 h r6partir la v a p e u r dans le volume d'ionisation. La temperature de la chaudii~re est r~gul6e h une valeur choisie de mani~re h obtenir un d6bit constant
I --
Ell
~
champ /-~ DistrJbuteur Bobines de --'mclgn~tlque
Fig. 1. Sch6ma de la source. b. La chambre d'ionisation a une g6om6trie cylindrique. Deux sources ont fait l'objet de la pr~sente ~tude, l'une de diami~tre 7.5 cm et la seconde de diam~tre 10 cm. L'anode ~galement cylindrique est port~e h un potentiel positif I/arc par rapport h la cathode (filament ~missif). Les ~lectrons ~mis par le filament ionisent une fraction de la vapeur de mercure. La fuite des 61ectrons vers les deux extr6mit6s de la chambre d'ionisation est interdite ear le distributeur et la grille 6cran (fig. 1 et 3) sont port,s au m~me potentiel que l'extr6mit~ n~gative du filament. Darts la chambre d'ionisation r~gne une pression de neutres comprise entre 10 -4 et 10 -3 mm de mercure. Dans ces conditions, le libre parcours moyen des 61cottons, de l'ordre de 1 m~tre, est notablement plus grand que les dimensions de la chambre. I1 s'av~re done indispensable d'appliquer un champ magn~tique dont
328
329
ETUDE D ' U N E SOURCE D ' I O N $ A FORTE INTENSITE
Photo i.
les lignes de force soient sensiblement parall~les it l'axe d e l a chambre pour allonger le chemin parcouru par un ~lectron dans le volume d'ionisation et obtenir ainsi u n grand nombre de collisions ionisantes avec les atomes de mercure. c. Le champ magn6tique n~cessaire au contr61e de la d ~ h a r g e est variable de 0 it 130 G. II est obtenu it l'aide de 2 bobines ayant chacune une longueur de 5 cm, un diam~tre int6rieur de 17 cm et un diam~tre ext~rieur de 20 cm. La fig. 2 repr~sente la variation de l'intensit~ du champ magn~tique suivant l'axe it l'int~rieur de la source. L'exp~rience a montr~ qu'un champ divergent donnait de meilleurs r6sultats qu'un champ uniforme. Cette configuration de champ pr~sente un maximum it la position du distributeur. C'est cette valeur maxim a l e Bm.x qui figurera sur toutes les courbes exp6rimentales.
Unit~s
~.o. arbitraires
~ :
o.a. Distributeur~ ~
~.o.s. E ~o.4. ,~ o2 ~ _~ o,
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Fig. 2. Configuration du champ magn6tiqu¢.
330
J.F. BONNAL et al.
Photo 2. Encei~ "-~,,~s. I1 est/t noter que le champ magn6tique r6gnant dans le plan des grilles repr6sente environ 6 0 ~ de cette valeur maximale. Cette divergence du champ magn6tique semble faire apparaitre un fonctionnement optimum de la source. d. Les fimments utilis6s pour l'6mission 61ectronique sont constitu6s de ills de tantale de diam~tre 0.8 mm situ6s dans le plan de sym6trie de l'anode. Les mesures ont 6t6 effectu6es, soit avec un filament axial repli6 en forme d'6pingle, soit avec un filament en forme de boucle dont le plan est perpcndiculaire /~ l'axe de la source et dont on peut faire varier le diam~tre. En fait, la forme g6ometrique du filament s'est r6v616e 8tre un param~tre d6terminant dans la r6partition radiale de la densit6 ionique. 2.1. PARAM~TRESGI~OM~FRIQUES Quelques essais pr61iminaires faisant intervenir des variations de longueur de l'anode et de la chambre
d'ionisation ont abouti ~ une g6om6trie favorable off la longueur de la chambre d'ionisation est sensiblement 6gale ~t son diam~tre, et oh le diam~tre de l'anode est ~ peu pr6s 6gal ~ sa longueur. D'une faqon g6n6rale, l'influence des param6tres g6om6triques sur le fonctionnement de la source est peu sensible. 2.2. SYST~MEACCI~L~:RATEUR La grille ~cran et ia grille d'acc~l~ration sont constitu6es par des plaques de molybd~ne de 1.5 mm d'6paisseur perc6es de trous de 5 m m de diam~tre r6partis en r6seau hexagonal. La transparence de ces grilles au flux d'ions qui les traverse est environ 50~. Les faces en regard de ces deux grilles sont distantes de 3 mm. La fig. 3 repr~sente le sch6ma 61ectrique g~n6ral de la source: les ions qui traversent la gaine bordant la grille 6cran sont extraits de la source par une difference de potentiel VA = VD + [ AV[.
ETUDE D'UNE
SOURCE D'IONS
L'ensemble de la source est port6 b u n potentiel fortement positif VD par rapport b la masse tandis que la grille d'acc~16ration se trouve port6e b u n potentiel fortement n6gatif A V par rapport h la masse. Anoce
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positive
Fig. 3. Schema 61ectrique.
T o u s l e s rdsultats qui vont ~tre prdsentds ont dtd obtenus avec les valeurs I'D = + 5 kV et A V-- - 2kV. La cible et les patois de l'enceinte dtant b la masse, les ions du faisceau auront doric une dnergie correspondant au potentiel Vv soit 5 kV dans le cas prdsent. 2.3. RI~SULTATSPRI~LIMINAIRES Les premieres exp6riences ont montrd que la source de diam~tre 7.5 cm peut donner un faisceau d'intensitd comprise entre 70 et 100 mAS). I1 est important de savoir si la limitation du courant ionique du faisceau est imputable b une valeur trop faible de la densitd du plasma remplissant la chambre de d6charge, ou b la limitation par la charge d'espace donnde par la loi de Child et traduisant la valeur limite de la densitd de courant d'un faisceau:
J,~x = eeo( 2e/ M)f~V~A/d2.
(1)
En faisant varier le potentiel d'extraction V^, tout en maintenant constante la distance entre les deux grilles, on peut comparer la variation expdrimentale de l'intensit6 du faisceau avec la loi th6orique relic qu'elle devrait ressortir de la limitation par la charge d'espace en supposant une r6partition radiale uniforme de la densit6 de courant dans le faisceau. En fait, la connaissance de cette r6partition a dt6 obtenue grace & l'utilisation d'une sonde calorimdtrique de petites dimensions (disque de cuivre de diam6tre 8 mm) dont le principe repose sur la mesure des gradients thermiques aux deux extr6mitds d'une tige m&allique reli~e b la sonde calorimdtrique6). La fig. 5 reprdsente la rdpartition radiale de la densit6 de courant dans le faisceau
331
A FORTE INTENSITE
pour diffdrentes valeurs de l'intensit6 globale du faisceau. De ces mesures, il ressort d'une part, que l'intensitd du faisceau n'est pas limitdepar!la ~loi de Child mais par une valeur insuffisante de la densitd ionique du plasma darts la source (fig. 4) et d'autre part, que la r@artition de la densit6 ionique n'est pas du tout uniforme darts le faisceau. Cette r6partition est vraisemblablement imposde par la distribution radiale de la densit6 ionique dans le chambre d'ionisation. Une amdlioration possible n'est doric b envisager qu'apr6s avoir effectu6 une 6tude du plasma darts la source et mis en 6vidence les param6tres sur lesquels il s'av6re possible d'agir eflicacement pour: augmenter la densitd ionique darts la source, rendre la rdpartition radiale de la densitd dans la source la plus uniforme possible, ou mSme la rendre maximale vers la pdriph6rie lb of1 la surface d'extraction de la grille est la plus grande. 3. Etude du plasma de la source
Les caract6ristiques du plasma dans la source ont dt6 6tudides en l'ahsence de tension d'extraction, c'esta-dire en laissant le plasma diffuser i~ travers les grilles, en sorte qu'aucune haute tension n'est appliqude b la source. [0(mA) 400
300
200
2 100
. . ~ 3
•
o
VA (kv)
~
~
~
~
~
Fig. 4. Variations de l'intensit6 du faisceau avec le potentiel d'extraction. 1. Courbe th6orique de P6q. (1) avec d = 3.5 ram. 2. Intensit6 maximale correspondant #, une ionisation compl6te du mercur¢ inject6. 3. Courbe ¢xperimentale en m a i n t e n a n t
VD=C te=5kV.
J.F. BONNAL etal.
332
Le
114
1'2
~'o
d8
0'6
d4
0'2
~)
D e n s i t d de c o u r o n t du f o i s c e o u ( m A / c m 2)
Fig. 5. R6part/tion radiale de la densiI6 du courarR. Distance sonde-source = 18 cm. Courant du faisceau: Fq: h) = 100 A; @: In = 50mA; x : In = 25 mA. I1 est possible de tracer la carte de la densit6 du plasma/t l'int6rieur de la source en introduisant longitudinalement dans la d6charge une sonde de Langmuir polaris6e par rapport & la cathode. Cette sonde est constitu6e par un fil de tungst~ne de 0.5 mm de diam6tre d6passant de 1 mm d'un tube de quartz. La sonde offre ainsi au plasma une surface collectrice de 2 mm z. L'axe de la sonde est d6centr6 par rapport h 1'axe de la source, en sorte que l"extr6mit6 de la sonde peut 8tre soumise &: un mouvement de translation permettant de la d6placer longitudinalement dans la source, depuis le distributeur jusqu'aux 2 grilles, un mouvement de rotation lui permettant de se d6placer radialement depuis l'axe de la d6charge jusqu'/t la paroi du corps de la source, grace / t u n e lumi6re pratiqu6e dans les deux grilles.
Les caract6ristiques semi-logarithmiques de sonde permettent de d6terminer le potentiel plasma dont la valeur est indiqu6 ci,dessous dans le cas o4 Va,o = 50V.
= 52 V
n*
x1011 ~ 70G
Filament
3.1. FILAMENT AXIAL
V(plasma) = 50 V = 51 V
Par ailleurs, les caract6ristiques de sonde attribuent aux 61ectrons du plasma une temp6rature de 3/t 4 eV pros de l'anode et 6 eV pr6s du filament. La mise en oeuvre d'une sonde dans un plasma exige, d'une part que la distance Debye soit suffisamment petite (0.01 mm dans les conditions de mesure) devant les dimensions de la sonde, et d'autre part que le rayon de giration des particules charg6es soit grand devant les dimensions de la sonde. Cette deuxi6me condition laisse/l d6sirer pour des 61ectrons de 5 eV soumis & un champ magn6tique de 100 G e t pour lesquels le rayon de Larmor est 6gal aux dimensions de la sonde utilis6e. L'effet du champ magn6tique ne se faisant pas sentir directement sur les ions, il parait doric tout indiqu6 de n'6tudier que la partie ionique de la caract6ristique de sonde. Aussi tous les r6sultats exp6rimentaux qui vont 8tre pr6sent6s ont 6t6 obtenus en polarisant la sonde /t - 5 0 V par rapport & la cathode. Dans les conditions de mesure, un courant ionique de 1 mA recueilli par la sonde correspond & une densit6 ionique de I012/cm3 au voisinage de la sonde. La fig. 6, relative &la source de diam6tre 7.5 cm avec filament axial, met en relief la tr6s grande influence du champ magn6tique sur la variation de la densit6 ionique jusqu'& 70/t 80 G. Au-clel& l'augmentation du champ magn6tique reste sans grand effet sur la densit6 ionique.
pr6s du filament axial /t mi-distance entre filament et anode pr6s de l'anode ext6rieure
gous5 ~
Anode
Fig. 6. R6partition radiale de la densit6 ionique dans le plan de la grille. Filament en 6pingle: /are = 2 A; V~e = 50 V, Q = 1 g/h. - . . . . Fonction de Bessel, 3'o (Kr) avec K = 2. II faut 6galement noter que l'infiuence du champ magn6tique tr~s marqu6e pr6s du filament axial diminue au fur et & mesure que l'on se rapproche de l'anode pour devenir n6gligeable pr6s de celle-ci.
333
ETUDE D ' U N E SOURCE D ' I O N S A FORTE I N T E N S I T E
La forme g6n6rale de ces eourbes vient confirmer le r~sultat th6orique d'un module de d6eharge semblable avee filament axial. Le calcul r6sum6 en annexe a montr6 que la densit6 est donn~e par: n = noJo(Kr),
figurations de champ magn6tique dans le cas oh les bobines produisent un champ de 50 G. La fig. 8 repr6sente les profils de densit6 ainsi obtenus pour les deux configurations de champ magn6tique. Les valeurs de champ indiqu6es sont celles correspondant au champ des bobines seules.
n o repr6sente la valeur de la densit6 sur l'axe de la source.
K = B(~-z/V-)*,
B, champ magn&ique; Z, taux de creation d'ions par ionisation, /z-, mobilit~ des ~leetrons, V, potentiel thermique des ~lectrons. Quand B = 70 G ; Z = 106/s; # - = 0.7 × 104 inks; - = 5VonaK-~2.5/cm. Or sur la fig. 6, la courbe exp~rimentale ~t 70 G peut &re compar~e ~ la courbe th~orique J o ( K r ) avec K,,- 2. 3.2. FILAMENT EN BOUCLE Ces mesures ont ~t~ r6p&b.es dans les m~mes conditions avec cette fois u n filament constitu~ d'un fil de tantale repli~ en forme de boucle ayant u n diam&re de 20 mm. Le plan de la boucle est perpendiculaire & l'axe de la source. Le passage du courant de chauffage (30 A) dans le filament donne naissance & u n champ magn6tique b non n~gligeable (20 G dans le plan de la boucle) par rapport au champ B c r ~ par les bobines ext6rieures.
bistr]buteur
Anode
6O]sur['=xe
//
401
xX
20J
.--~
2
o
! Fflament
\ N ~ B.b ~x
"--'~B-b
0 Fig. 7. Configurations de champ magn6tique pour la source anode ext6rieure et filament central en boucle.
&
Selon que le champ b s'ajoute ou se retranche au champ B, la configuration de champ r6gnant dans la chambre d'ionisation est notablement diff6rente comme l'indique la fig. 7 ofl sont repr6sent6es les deux con-
i %__ Anode
Fig. 8. R~partition radiale de la densit6 ionique clans le plan de la grille. Filament en boucle: V,re = 50 V; l~c = 2 A; Q=lg/h.
Grilles
~lntensJt6 du Gauss/champ magn~tique
100gauss
B+b;
....
B--b.
Ces r6sultats exp6rimentaux sugg6rent trois remarques: 1. La densit6 ionique et la r6partition radiale de cette densit6 sont plus favorables a v e c l a configuration B + b qu'avec la configuration B - b e n bouteille magn6tique. 2. Dans la configuration B + b, la densit6 ionique est plus 61ev6e clue pour la source & filament axial en 6pingle et d'autre part, la r6partition radiale de la densit6 est moins inhomog~ne comme le montre la comparaison avec la fig. 6. 3. Dans le cas de la configuration de champ magn6tique favorable, la r6partition radiale de la densit6 ionique semble &re essentiellement d6termin6e par le rayon du filament puisque le maximum de densit6 correspond pr6cis6ment ~t la valeur du rayon du filament en boucle. I1 semble done s6duisant de rapprocher le filament de l'anode, c'est-h-dire d'61argir le diam~tre de la boucle en esp6rant ainsi d6placer le maximum de densit6 ionique vers la p6riph6rie de la source, h l'endroit m~me o~ la surface d'extraction de la grille est la plus grande.
334
J.F. BONNAL j ,.,. . ~ f
,I
Filament
St6utitas •,~
I
I I -centrate htensitd du champ Gauss I magn~tic~ue s u P l'axe 60 40.
--. ....... :
20-
~
;__-:°og g.... ....
~
B= ~0 gauss
0
Fig. 9. Configurations de champ magn6tique pour la source /t anode centrale. B + b; . . . . B - b. Mais si le filament est plac6 pros de l'anode, une pattie importante des 6lectrons 6mis est imm6diatement capt6e par l'anode sans ioniser le gaz. I1 semble donc pr6f6rable de songer & un module de source ob l'anode est situ~e sur l'axe de la d6charge et le filament pros de la paroi de la source. L'extr6mit6 n6gative du filament est au m~me potential que le corps de la source. On aboutit ainsi &une source sch6matis6e sur la fig. 9. C o m m a pr4c~demment, le courant de chauffage du filament cr6e un c h a m p magn6tique b (de 5 & 6 G) qui perturbe la r6partition du champ des bobines. La fig. 10 repr~sente les profils de densit6 ainsi obtenus pour les deux configurations de champ magn6tique. De l'examen de ces courbes, il ressort qua: la densit6 ionique est bien maximale au voisinage du filament, c'est-~-dire pros de la p4riph6rie de la source, le meilleur profil de densit6 est obtenu avec la configuration de c h a m p magn6tique B - b, pour un c h a m p ext6rieur sup4rieur ~t 30 G, et avec la configurax1011 £m 3
e t al.
tion B + b pour un c h a m p ext6rieur inf6rieur & 30 G. pour B = 0, c'est-&-dire en absence de tout c h a m p magn6tique ext6rieur, la densit6 ionique conserve une valeur non n6gligeable. La valeur absolue de la densit6 ionique est en m o y e n n e deux fois plus faible qua dans le cas de la source & filament central en boucle et anode ext~rieure. Malgr~ ce dernier d6faut, ce type de source peut %tre int6ressant dans certains cas particuliers grace &: son fonctionnement avec une densit~ ionique notable en l'ahsence de tout c h a m p magn6tique ext~rieur, la possibilit~ de modeler la r6partition radiale de la densit~ ionique. A partir des figs. 6, 8 et 10 relatives aux profils de densit~ ohtenus avec les trois mod&les de source exl~rimentales, il est possible, en int~grant la valeur du courant ionique de la sonde sur la surface ouverte de la grille, de faire apparattre un classement relatif de ces trois types de source. Le facteur de m~rite est d6fini comma i t a n t proportionnel & l'intensit~ du faisceau susceptible d'etre obtenu, pour les conditions exp~rimentales suivantes: Va~c = 50 V; Iarc = 2 A ; B = 1 0 0 G ; Q = 1 g/h. 3 . 3 . VF~RIFICATION$ $ U R LE FAISCEAU
Les figs. 11 et 12 font ressortir, pour chacun des trois types de source, la variation de l'intensit6 du faisceau [D(mA) 100
75 //
~
.
_
1.1+
4
100 gauss . 2.
..~.~"-/~"'~
I,I ~
~
70 g . . . .
_
20
r
~'~
25
auss
20 gauss , B(gauss?
0
node
Filament
Paroi ~
Fig. 10. R~partition radiale de la densit6 ionique dans le plan de la grille. Anode centrale: V~re = 50 V ; l~re = 2 A ; Q = 1 g/h. --B+b;
....
B-b.
2b
4b
40
so
_
loo
Fig. 11. Influence du champ magn~tique sur l'intensite du faisceau. Source &anode ext6rieure. Filament central en boucle: 1. B + b; 2. B - b. 3. Filament axial en 6pingle. Va~e = 50 V; /are = 2 A; Q = 1 g/h.
ETUDE D ' U N E SOURCE D ' I O N S A FORTE I N T E N S I T E
335
se r6v~lent ainsi en b o n a c c o r d / t m i e u x que 10% pr6s. Cette excellente convergence m o n t r e l'intgr~t de l'gtude d u p l a s m a de la d6charge qui seule p e r m e t d ' o p t i m i s e r les caract6ristiques de la source en fonction de l'utilisation envisag6e.
l iD(r,nA ) " lOO
4. Installations d'essais et etude des performances de la source de diametre 10 em
75"
z.z 50"
/II'
~'/'X \xx_j 25.
B(gaus!,) 0
20
40
60
80
loo a''
Fig. 12. Influence du champ magn6tique sur l'intensit6 du faisceau Source &anode centrale et filament ext6rieur en boucle: 1. B + b; 2. B - - b. V*re = 50V,/are = 2 A ; Q = lg/h. en f o n c t i o n d u c h a m p m a g n e t i q u e d a n s les m 6 m e s c o n d i t i o n s exp6rimentales q u e p o u r les m e s u r e s pr6c6dentes. P o u r u n e valeur de c h a m p m a g n 6 t i q u e B = 100 G, la c o m p a r a i s o n des intensit6s de faisceaux m e t en 6vidence le classement s u i v a n t d a n s le tableau. Les m e s u r e s 61ectriques de l'intensit~ d u faisceau et les valeurs d6duites de la densit6 ionique d a n s la source TABLEA!I I Faeteur de m6rite
Facteur de m6rite
R~sultat foumi par R6sultat foumi par la 1'6tude de la sonde mesure de l'intensit6 dans la d6eharge du faisceau
Source &anode ext6rieure et iliament axial en 6pingle (source Kaufman)
1 ( valeur de "~ \ normalisation ]
( valeur de "~ 1 ~ normalisation /
Source/t anode ext6rieure et filament central en boucle
1.70
1.60
Source/t anode centrale et filament ext6rieur en boucle
1.20
1.30
U n e source de diam~tre 10 c m d6duite de la premi/~re p a r h o m o t h 6 t i e a 6t6 mise en oeuvre p o u r obtenir u n faisceau de plus forte intensit& L a source est plac6e d a n s u n e enceinte repr6sent6e sur la p h o t o no. 2. C ' e s t u n e cuve cylindrique en acier inoxydable de 3 m de l o n g u e u r et 1.5 m de diam~tre. Elle est vid6e p a r 2 p o m p e s / t diffusion d ' h u i l e de d6bit unitaire b r u t 6gal & 10000 1/s. Elle c o n t i e n t d ' a u t r e p a r t u n pi6ge h azote liquide destin6 & c o n d e n s e r les v a p e u r s de mercure. Ce c o n d e n s e u r m u n i d'ailettes pr6sente u n e surface totale de 48 m 2. D a n s ces c o n d i t i o n s , la pression de f o n c t i o n n e m e n t c o r r e s p o n d h ]0 - 6 m m de m e r c u r e lorsque la source est en action. Afin de b6n6ficier d ' u n e souplesse de travail sut~sante, l'enceinte a 6t6 6quip6e de la faqon suivante: - la source est fix6e sur u n e platine; u n s u p p o r t mobile p e r m e t de la faire p6n&rer d ' u n e faqon c o n t i n u e l'int6rieur de l'enceinte sur u n e distance de pros d ' u n m~tre. La source est d ' a u t r e p a r t e s c a m o t a b l e ~, l'int6rieur d ' u n sas of~ elle p e u t Etre isol6e compl6tem e n t d u reste de l'installation p a r u n e v a n n e & effacem e n t total, ce qui p e r m e t d'avoir acc~s /t la source s a n s faire de rentr6e d ' a i r d a n s le caisson, - l a cible de 0.45 m de diam~tre p e u t se d6placer l o n g i t u d i n a l e m e n t d ' u n m o u v e m e n t c o n t i n u sur l'axe de l'enceinte, avec u n e course d ' e n v i r o n 1.80 m. Cette cible, isol6e p a r r a p p o r t & la m a s s e p o u r que l ' o n puisse effectuer des m e s u r e s 61ectriques, est refroidie p a r circulation d'eau. 4.1. PERFORMANCES DE LA SOURCE DE DIAMI~TRE 10 CM A ANODE EXTI~RIEURE
Le diam6tre d u f a i s c e a u / t la sortie de la source est 10 cm. Cette source a 6t6 6tudi6e d a n s les meilleures conditions d6finies p a r les m e s u r e s de sonde, c'est-&-dire avec u n filament en boucle de diam6tre 4 c m environ et u n e configuration de c h a m p m a g n 6 t i q u e B + b. La fig. 13 repr6sente la v a r i a t i o n de l'intensit6 d u faisceau avec la t e n s i o n d'arc, p o u r trois valeurs de c h a m p magn6tique. L a fig. 14 repr6sente la variation de l'intensit6 d u faisceau avec le c h a m p m a g n 6 t i q u e p o u r trois d6bits de m e r c u r e diff6rents. La s a t u r a t i o n d a n s la valeur d u c o u r a n t de faisceau en fonction d u c h a m p magn6tique
J.F. BONNAL et al.
336
I ID(mA)
////41/t/"
2
200,
]50'
semble apparaitre p o u r de plus faibles valeurs de B qu'avec la source de diam~tre 7.5 cm. La fig. 15 repr6sente un r6seau de courbes traduisant les variatiens de l'intensit6 du faisceau avec le c o u r a n t d'arc et le d6bit de vapeur de mercure. I1 est possible de m o n t r e r que la pente initiale de la partie lin6aire ofl les diff6rentes courbes sont pratiquement confondues, peut &re consid6t6e c o m m e repr6sentant un facteur de qualit6 de la source 1i6 au rendement 61ectrique. D ' a u t r e part, il apparait un ph6nom~ne de saturation d ' a u t a n t plus net que le d6bit de mercure est plus faible, cette saturation correspond & u n rendement m a x i m u m d'utilisation (d6fini plus loin).
100-
ID(mA) 300 ;¢
50-
I ./f" /"
y, ...-"¢" ,/
200
Vo,.c(V)
0
20
,,~
'
6'o
'
/ ,#,
"-
Fig. 13. Variations de l'intensit6 du faisceau avec la tension de d~harge, late = 4 A;O = 199°C; Q = 2.2 g/h. 1. Bma~ = 60 G; 2. BmLx = 40G; 3. Bronx = 20G.
..
100 /
3
-~
4
ID(rnA)
250 1
I~¢(A)
x*
o
~
,
:~
,
~ =
,i
200 •i I
150
II~
Fig. 15. Variations de l'intensit6 du faisceau avee le courant de d6charge et le d6bit de gaz. V~rc = 50 V; Bmax = 60 G.
iI 2 d~
IIll
/ 50
,
'//
l;/ Bmax(gQuss)
1 . 0 = 210°C, Q = 2.9 g/h.
3 . 0 = 190°C, Q = 1.5 g/h.
2.0 = 199°C, Q = 2.2 g/h.
4. 0 = 178°C, Q = 0.9 g/h.
Ces r~sultats peuvent ~tre pr~sent6s diff~remment p o u r mieux traduire ce dernier point, c o m m e le m o n t r e la fig. 16, o6 figure la variation du courant du faisceau en fonction du d~bit de mercure p o u r diff~rents courants d'arc. La ligne droite pointill6e caract~rise une ionisation totale du mercure, c'est-&-dire un rendement d'utilisation unit~. A partir de ces r~seaux de courbes, il se r6v~le ainsi possible de d&erminer le point de fonctionnement o p t i m u m de la source p o u r un d~bit de mercure donn~ ou un c o u r a n t d'arc donn& 4.2. RENDEMENTS
Fig. 14. Variations de l'intensit6 du faisceau avec le champ magn~tique et le d~bit de gaz./are = 4 A; Varc = 50 V. 1.0 = 199°C, Q = 2.2 g/h. 2.0 = 190°C, Q = 1.5 g/h. 3.0 = 178°C, Q = 0.9 g/h.
4.2.1 Rendement d'utilisation ~o des atomes neutres introduits dans la source I1 est d~fini par le r a p p o r t du d~bit de masse des ions du faisceau, au d6bit de masse Q des atomes de mercure
ETUDE
D'UNE
SOURCE
D'IONS
337
INTENSITE
ideal qui ne contiendrait que des ions Hg + et j, la densit6 de courant d'un faisceau r~el contenant ~ la lois des ions Hg + et Hg + +.
ID(mA)
/
// /~
300
A FORTE
Ji = ~ i
j, = ~ : + 2 ~ : +.
~oo-
//////
ao, t et ao, 2 6tant respectivement les sections efficaces simples et doubles d'ionisation des atomes de mercure par les 61ectrons, et en supposant que v + ÷ = v + ~/2, on peut montrer, dans l'hypoth~se de la conservation du flux (?l = 7,+ + 7r+ ÷) que:
.4..
j~ = 1 + 2~Oo,2/Oo,t /
o
Ji
/
/
;
~
Q(g/h)
~:
Fig. 16. Variations d e l'intensit~ d u faisceau avec le c o u r a n t d ' a r c et le d , b i t de mercure. Vsre = 50 V ; Bins= = 60 O . 1. Isre = 6 A . 2. l t r e = 5 A .
3./~re = 4 A. 4. ltre = 3 A .
5. I,re = 2 A . 6. late = 1 A .
provenant de la chaudi~re. La d6termination de (2 se fait par pes6e de la chaudi~re avant et apr~s fonctionnemerit, ~ la teml~rature 0 r6gul6e pendant un intervalle de temps connu. Les r6sultats de cet *talonnage sont valables /t 1 0 ~ pr~s. Le d6bit de masse des ions du faisceau est obtenu par la d6termination de l'intensit6 du courant du faisceau. Les mesures d'intensit6 de faisceau peuvent ~tre perturb~es par l'6mission secondaire d'~lectrons due au bombardement ionique. Bien que les precautions aient ~t6 prises pour pi*ger les ~lectrons secondaires les d,terminations 61ectriques de rintensit6 du faisceau ont 6t~ contr61~es par une mesure calorim*trique. A cet effet, la cible est/xluilx~e d'un dispositif permettant de d*terminer la puissance dissip6e par le faisceau sur ta cible (valeur limite 10 kW). La concordance s'est toujours r6v~16, bonne entre les r~sultats thermiques et 61ectriques. On d~termine ainsi un rendement #u global. En fait, cette valeur est contestable et doit ~tre corrig~e pour la raison suivante: la d~finition de t/. donn6"e prc~A~demment se rapporte u n faisceau ne comprenant que des ions Hg +. Or, en appliquant des tensions d'arc sup~rieures au potentiel de double ionisation du mercure (soit 30 V) il apparatt des ions Hg ++ qui majorent la valeur de l'intensit~ du faisceau. D~signons par j~ l a densit~ de courant d'un faisceau
1 + ~/~0,2/cro,t
Ainsi pour un potentiel d'arc de 50 V, Jr/Ji = 1AS valeur qui donne le facteur de correction du rendement d'utilisation. La fig. 17 met en relief la variation du rendement r/u corrig6 en fonction du courant d'arc et du d6bit de mercure pour les r6sultats pr6sent6s sur les figs. 15 et 16. Ainsi, m~me en tenant compte de ces conditions, la source peut avoir u n rendement d'utilisation sup6rieure
80%. % IqU)corrtge~ loo
80
60.
40
20
Iarc(A) 0
i
I 2
i
i .4
~
-
Fig. 17. R e n d e m e n t d'utilisation corrig~. Ytre ~- 50 V ; Bmax = 60 G . 1. Q = 0.9 g/h; 2. Q = 1.5 g/h; 3. Q = 2.2 g / h ; 4. Q = 2.9 g/h.
J.F. BONNAL et ai.
338 4.2.2 Rendement dlectrique
C'est un rendement de puissance dffmi par le rapport: fie = Puissance du faisceau/Puissance totale consomm~e. La fig. 18 repr~sente la variation du rendement 61ectrique en fonction du courant d'arc en tenant compte de la puissance dissip~e dans l'arc, dans le filament, les bobines et la grille acc~l~ratrice. Si une ~telle source 6tait appliqu~e ~ la propulsion 61ectrique, le rendement 61ectrique devrait ~tre optimis& II serait m~essaire de r e m p l a ~ r le filament 6missif consommant de 100 ~t 300 W par une cathode sp~ciale'de plus faible consommation. Si on n6glige la puissance dissip~e dans le filament, on obtient des rendements ~lectriques notablement plus 61ev~s comme la fig. 18 le met en ~vidence pour un d6bit de mercure Q -- 2.2 g/h. 4.3. PERFORMANCESDE LA SOURCEDE DIAMLbI'RE 10 CM ANODE CENTRALE La source de diam~tre 10 cm a 6t6 6quip6e 6galement avec une anode centrale et un filament l~riph~rique en boucle. La variation de l'intensit~ du faisceau en fonction du champ magn6tique pr6sente la m~me allure qu'avec la source de diam~tre 7.5 cm. Pour un fonctionnement de la source sans champ magn6tique ext6rieur, la fig. 19 traduit la variation de rintensit6 du faisceau en fonction du courant d'arc pour diff6rents d6bits de mercure. On voit ainsi que sans champ magn6tique ext6rieur, ce type de source est susceptible de fournir un courant pouvant atteindre °ta
, r~E
1OO
I
80
60
100 mA avec un rendement de 45%. La pr6sence d'un champ magn6tique fair croitre le courant d'environ
50%. I D (mA)
100"
~
I
111 . ~ 2
o
~
~
!arc(A) 6
Fig. 19. Variations de l'intensit6 du faisceau avec le courant de d~harge en absence de champ magn6tique. Anode centrale. Fare = 50 V; Bmlx = 0. 1.0 = 198°C, Q = 2.1 g/h. 2.0 = 190°C, Q = 1.5 g/h.
3.0=178°C, Q=O.9g/h. 5. Conclusion Les 6tudes th6oriques et exp6rimentales de la densit6 ionique ~t rint6rieur d'une source du type Kaufman ont sugg6r6 aux auteurs plusieurs variantes qui conduisent a des performances int6ressantes. En particulier, darts ces nouvelles versions les conditions d'ionisation ont 6t6 am6fior~es notablement ainsi que la densit~ de courant du faisceau extrait. Le comportement du faiscean en fonction de la tension d'acc~l~ration montre clairemont que les performances de ces sources, bien que tr~s 6tev6es, peuvent ~tre encore am61ior6es. Les 6tudes ont 6t6 ex~cut6es sur des faiseaux dont rintensit6 atteint 300 mA. Le rendement d'utilisation maximum obtenu est de 80%. Nous pensons que de telles sources peuvent ~tre utilis~s a d'autres fins que la propulsion 61ectrique. En particulier, eUes nous paraissent pouvoir concurrencer avantageusement les duoplasmatrons ~t expansion de plasma.
4
Icrc (A)
Fig. 18. Rendement 61ectdque. Filament em I~le. ]/are = 5 0 V ;
Bnm x = 6 0 O .
2. Q = 2.9 g/h; 3. Q = 2.2 g/h; 4. Q = 1.5 g/h; 5. Q = 0.9 g/h. 1. Q = 2.2 g/h. sans tenir cornpte de la puissance dissip6eclans le filament.
Nous tenons ~ exprimer nos remerciements ~ M. Winter pour rappui qu'il nous a fourni et les judicieux conseils qu'il nous a donn6s. Nos remerciements s'adressent 6galement ~ M. Taillet pour les discussions int6ressantes que nous avons eues avec lui. M. Lutz nous a apport6 une aide pr~cieuse en nous dormant le m6thodes et les moyens de r6aliser les installations ~t vide avec lesquelles nous avons travaill6. Que M. Degras soit associ6 ~ ces remerciements.
339
ETUDE D ' U N E SOURCE D'IONS A FORTE INTENSITE
ANNEXE On se propose d'~erire les ~quations g~n6rales d'un + module de source h g~om6trie eylindrique comprenant un filament axial + 6missif et une anode cylindrique ext~rieure. 1. L'~quation de conservation de la quantit~ de mouvement d a m l'hypoth~se du r~gime stationnaire (O]Ot = 0) et d'un milieu ionis~ dans lequel r~gnent u n champ ~lectrique £ et u n champ magn~tique B permanent est la suivante: - e n - ( £ + ~ x B) - V ( n - k T - ) - n - m - v - v -
avec la mobilit~
l_r_ r
= - n - l t - ( E + ~ x B) - D - V n - , # - ffi e / m - v -
et le coefficient de diffusion: D - = k T - ] m - v - . On se propose maintenant d'6erire les composantes radiales et azimutales du flux en g~om~trie cylindrique (coordonn6es r, 0 et z) avee 0/00 = 0 et en ne retenant que les composantes E, et B: -- B
-~r -~
L'hypoth~se ( w - / v - ) ~ >~ 1 entraine ~,- - (v-/co-)2/z - et
~- ~- - ( v - / ~ o - ) ~ - . Les flux radiaux et azimutaux s'6erivent:
r ; -- - ( v - / o f ) ~ [ n - t ~ - ( E , + v ; B ) + D-On-~Or] = - n-(v-/o,-)~-v,B
= - r;.
La combinaison de ces deux expressions donne: F~-(1- ~s_)=-n-(~_)2(g-E,+D-~-r) n-
ou
~r-B ~
~r + + ~ + ~-B~z)
r
n = O.
Les mesures de sonde dans la d6eharge ont~ montr6 clue E, ~ 0.6 V/era et OE,/Or -- O. Suivant les m6thodes de caleul retenues, z = 2 × 10~/s et p - = 1 × 104 inks. p - B 2 z ffi 5 x 10 s avee B- 70G. Ainsi E,/r ,~ p - B 2 z j n s q u ' a u bord du filament axial. En outre, nous supposerons 8 V - / O r = O. Ces approximations permettent d'~erire, ~t I 0~0 pros: 02n + 1 On . i~-BZz
Or---~ r Or * - ~ : -
n ~ O
n(r) = noJo(Kr) avec K ffi B ( # - z / V - p .
Ce rOsultat valable pour les 61ectrons dolt l'~tre 6galement pour les ions par suite du couplage 61ectronsions. Liste des symboles utilis~s
F ; = n - p ~ v ; B.
r;
-+ ~-~r
F ; = - n - # ; ( E , + r o B ) - DT ~ n - / S r
D,- -~ (v-/o~-)2V - ,
~r.
" +'--~-r = z n - "
En y introduisant l'expression obtemm.ei-dessus pour F~- il vient:
= 0
pour les ~lectrons et une &tuation identique pour les ions. A partir de l'expression p r ~ d e n t e , on peut faire apparaitre l'~quation du flux des ~lectrons: F- = n-v-
cules s'b:rit: div F - = z n - od z repr6sente le nombre de paires ~lectromion cr~L'es par ionisation en une seconde par 61ectron incident. Dans le cadre de nos hypotheses div F - se r~duit la composante radiale:
n- ~
avee V - = k T - / e et l'hypoth~se ~o-/v- ~ 1. 2. L'btuation de conservation du nombre de patti-
B Induction magn6tique er66e par les bobines (G). B.m Valeur maximale de B ~t la position du distributeur. b Induction magn~tique cr6~'e par le eourant de chauffage du filament ~missif en forme de boucle. 7i Flux d'ions d'un faiseeau id6al ne contenant que des ions Hg*. 7r Flux d'ions d'un faisceau r6el contenant ~t la lois des ions Hg + et Hg + +. T+ Flux d'ions Hg + d'un faisceau r~el. 7+ + Flux d'ions Hg ++ d'un faisceau r6el. F7 Flux radial des 61ectrons dans la source. F[ Flux azimutal des ~lectrons dans la source. D - Coefficient de diffusion des 61ectrons dans la d E
source. Distance e n t r e les deux grilles. C h a m p 61ectrique d a n s la source.
Er
Champ ~lectrique radial dans la source.
340
J.F. BOlqlqAL eta[.
e Charge 616mentaire: 1.6 x l 0 - 1 9 C. 80 Constante di61ectrique du vide. ~/E Rendement de puissance de la source, t/U Rendement d'utilisation de la source. 0 Temp6rature r6gul6e de la chaudi6re de mercure. Iarc Intensit6 du courant d'arc. Fcl Intensit6 du courant de faisceau recueilli par la cible. I~2 Intensit6 du courant du faisceau tombant sur les parois de l'enceinte. I D Intensit6 totale du courant du faisceau. Jmax Densit6 de courant limit6 par la loi de Child. Ji Densit6 de courant d'un faisceau id6al ne contenant que des ions Hg +. j, Densit6 de courant d'un faisceau r6el contenant /t la fois des ions Hg + et Hg + +. k Constante de Boltzmann. M Masse d'un atome de mercure. m - Masse d'un 61ectron. ~Mobilit6 d'un 61ectron dans la source. nDensit6 61ectronique (cm-3). n + Densit6 ionique (cm-3). no Densit6 sur l'axe de la source (cm-3). vFr6quence de collisions 61ectron-atome dans la source. Q D6bit d'atomes de mercure introduits dans la source (g/h). S Surface ouverte de la grille. Oo, 1 Section efficace d'ionisation simple des atomes de mercure par les 61ectrons.
~o,2 Section etficace d'ionisation double des atomes de mercure par les 61ectrons. V,~c Tension d'arc. V - Potent/el thermique des 61ectrons dans la source. Vv Potent/el positif auquel est port6e la source. d V Potent/el n6gat/f de la grilte d'acc~16ration. VA Potentiel d'extraction des ions de la source. vVitesse d'un 61ectron dans la source. v~" Composante radiale de la vitesse d'un 61ectron dans la source. v~" Composante azimutale de la vitesse d'un 61ectron dans la source. v + Vitesse d'un ion Hg +. v + + Vitesse d'un ion Hg + +. Z Taux de cr6ation de paires 61ectron-ion par ionisation dans la source. co- Pulsation cyelotronique des 61ectrons darts la source.
R6f6reaees 1) N. B. Brooks et al., Rev. Sci. Instr. 35 894. 2) H. R. Kaufman, NASA TN D 585. 3)H. R. Kaufman and P. D. Reader, ARS no. 1374--60, (Nov. 1960). 4) p. D. Reader, AIAA 63031-63. s)j. F. Bonnal et al., Recherches sur la propulsion ionique effectu6es en commun par le CEA et la SNECMA. II. Dispositif d'6tude et r6sultats. IIIrd European space-flightsymposium no. 1556 (63), Stuttgart (May 1963). 6) j. F. Bonnal et al., Recherches sur la propulsion ionique, 13th gen. Ass. AGARD, Ath6nes (July 1963).
INSTRUMENTS
AND
METHODS
34 (I965) 328-340; ©
NORTH-HOLLAND
PUBLISHING
CO.
ETUDE D'UNE SOURCE D'IONS A FORTE INTENS1TE E T A RENDEMENT ELEVE J. F. BONNAL, J. GIACOMINI, G. MAINFRAY, C. MANUS et J. MORELLEC Services de Physique Appliqude, Commissariat d l'Energie Atomique, Cens, Gif-sur-Yvette, S. et 0., France
Re~u le 10 Novemhre 1964 Study of an electron-bombardmention source which produces a mercury beam with current intensity over 0.3 A and mass utilization efficiencyof about 80 percent. A 10 cm diameter cylindrical source is described which operates with mercury vapour pressure between 10-4 and 10-3
torr. The magnetic field is about 50 G. A certain particular type of this source can operate without magnetic field. A study of the plasma in the source brought out optimum operating conditions required to obtain high intensity and effacieneybeams.
1. Introduction
de vapeur de mereure. Ce d~bit Q (g/h) en fonetion de la teml~rature est pr6d6termin6 par des ~talonnages r6alis6s en pesant la chaudi~re avant et apr~s fonctionnement h la teml~rature 0 °C r~gul~e pendant un intervalle de temps eonnu.
Les sources d'ions & hautes performances (en particulier rendement d'utilisation 61ev6) pr~sentent un grand int6r~t dans diff6rents domaines tels que la s~paration 61eetromagn6tique, la fusion thermonucl~aire et la propulsion ionique. La voie g6n6ralement suivie pour r6pondre h ces exigences eonsistait h d~velopper des sources du type duoplasmatron. Mais pour obtenir un faisceau ayant une ~mittance satisfaisante, le plasma de forte densit~ produit par le duoplasmatron doit traverser une r6gion d'expansion dans des cofiditions assez critiques avant de donner naissance au faisceau ioniquel). I1 a paru plus int~ressant de s'orienter vers une autre voie ouverte par l'6tude de sources r6alis~es pour la propulsion 61eetrique et qui sont caract6ris6~s par de plus faibles densit6s ioniques. L'objet de ce pr6sent article est de d~tailler les performances d'une source h ionisation par bombardement ~leetronique dont la premi&e mise en oeuvre dolt &re attribu6e h Kaufman2-4). L'originalit~ et l'eflicacit6 de cette source h g~om~trie cylindrique r~side essentiellement dans sa faible pressi0n d'atomes neutres iet son volume d'ionisation relativement grand. ~. Tous :les r~sultats qui vont ~ p r ~ s e n t ~ s se rapportent h u n fonetionnement de la ~firce avee du mereure. 2. Description de la source , Cette source h ionisation par bombardement ~lectronique est sch6matis6e sur la fig. I et repr6sent6e sur la photo 1. a. Le mercure vaporis6 dans une chaudi~re entour6e de r6sistances ehauffantes (thermoeoax) I~n~tre dans la chambre d'ionisation par l'interm6diaire d'un distributeur destin6 h r6partir la v a p e u r dans le volume d'ionisation. La temperature de la chaudii~re est r~gul6e h une valeur choisie de mani~re h obtenir un d6bit constant
I --
Ell
~
champ /-~ DistrJbuteur Bobines de --'mclgn~tlque
Fig. 1. Sch6ma de la source. b. La chambre d'ionisation a une g6om6trie cylindrique. Deux sources ont fait l'objet de la pr~sente ~tude, l'une de diami~tre 7.5 cm et la seconde de diam~tre 10 cm. L'anode ~galement cylindrique est port~e h un potentiel positif I/arc par rapport h la cathode (filament ~missif). Les ~lectrons ~mis par le filament ionisent une fraction de la vapeur de mercure. La fuite des 61ectrons vers les deux extr6mit6s de la chambre d'ionisation est interdite ear le distributeur et la grille 6cran (fig. 1 et 3) sont port,s au m~me potentiel que l'extr6mit~ n~gative du filament. Darts la chambre d'ionisation r~gne une pression de neutres comprise entre 10 -4 et 10 -3 mm de mercure. Dans ces conditions, le libre parcours moyen des 61cottons, de l'ordre de 1 m~tre, est notablement plus grand que les dimensions de la chambre. I1 s'av~re done indispensable d'appliquer un champ magn~tique dont
328
329
ETUDE D ' U N E SOURCE D ' I O N $ A FORTE INTENSITE
Photo i.
les lignes de force soient sensiblement parall~les it l'axe d e l a chambre pour allonger le chemin parcouru par un ~lectron dans le volume d'ionisation et obtenir ainsi u n grand nombre de collisions ionisantes avec les atomes de mercure. c. Le champ magn6tique n~cessaire au contr61e de la d ~ h a r g e est variable de 0 it 130 G. II est obtenu it l'aide de 2 bobines ayant chacune une longueur de 5 cm, un diam~tre int6rieur de 17 cm et un diam~tre ext~rieur de 20 cm. La fig. 2 repr~sente la variation de l'intensit~ du champ magn~tique suivant l'axe it l'int~rieur de la source. L'exp~rience a montr~ qu'un champ divergent donnait de meilleurs r6sultats qu'un champ uniforme. Cette configuration de champ pr~sente un maximum it la position du distributeur. C'est cette valeur maxim a l e Bm.x qui figurera sur toutes les courbes exp6rimentales.
Unit~s
~.o. arbitraires
~ :
o.a. Distributeur~ ~
~.o.s. E ~o.4. ,~ o2 ~ _~ o,
•, -
l
I
~
/
I
,
Pan de
,l I '
iI ~<~ao,,:,
~,,o~o;, L_Plan de la
Fig. 2. Configuration du champ magn6tiqu¢.
330
J.F. BONNAL et al.
Photo 2. Encei~ "-~,,~s. I1 est/t noter que le champ magn6tique r6gnant dans le plan des grilles repr6sente environ 6 0 ~ de cette valeur maximale. Cette divergence du champ magn6tique semble faire apparaitre un fonctionnement optimum de la source. d. Les fimments utilis6s pour l'6mission 61ectronique sont constitu6s de ills de tantale de diam~tre 0.8 mm situ6s dans le plan de sym6trie de l'anode. Les mesures ont 6t6 effectu6es, soit avec un filament axial repli6 en forme d'6pingle, soit avec un filament en forme de boucle dont le plan est perpcndiculaire /~ l'axe de la source et dont on peut faire varier le diam~tre. En fait, la forme g6ometrique du filament s'est r6v616e 8tre un param~tre d6terminant dans la r6partition radiale de la densit6 ionique. 2.1. PARAM~TRESGI~OM~FRIQUES Quelques essais pr61iminaires faisant intervenir des variations de longueur de l'anode et de la chambre
d'ionisation ont abouti ~ une g6om6trie favorable off la longueur de la chambre d'ionisation est sensiblement 6gale ~t son diam~tre, et oh le diam~tre de l'anode est ~ peu pr6s 6gal ~ sa longueur. D'une faqon g6n6rale, l'influence des param6tres g6om6triques sur le fonctionnement de la source est peu sensible. 2.2. SYST~MEACCI~L~:RATEUR La grille ~cran et ia grille d'acc~l~ration sont constitu6es par des plaques de molybd~ne de 1.5 mm d'6paisseur perc6es de trous de 5 m m de diam~tre r6partis en r6seau hexagonal. La transparence de ces grilles au flux d'ions qui les traverse est environ 50~. Les faces en regard de ces deux grilles sont distantes de 3 mm. La fig. 3 repr~sente le sch6ma 61ectrique g~n6ral de la source: les ions qui traversent la gaine bordant la grille 6cran sont extraits de la source par une difference de potentiel VA = VD + [ AV[.
ETUDE D'UNE
SOURCE D'IONS
L'ensemble de la source est port6 b u n potentiel fortement positif VD par rapport b la masse tandis que la grille d'acc~16ration se trouve port6e b u n potentiel fortement n6gatif A V par rapport h la masse. Anoce
--
F;Ioroe~ ~
II!
I
,/
IL~:~cu I I I _ tc ~ c J ' e
c ~-'e
TI%T: ] . ~r~+
"~ ten~
-
I ~ I *
= &"
positive
Fig. 3. Schema 61ectrique.
T o u s l e s rdsultats qui vont ~tre prdsentds ont dtd obtenus avec les valeurs I'D = + 5 kV et A V-- - 2kV. La cible et les patois de l'enceinte dtant b la masse, les ions du faisceau auront doric une dnergie correspondant au potentiel Vv soit 5 kV dans le cas prdsent. 2.3. RI~SULTATSPRI~LIMINAIRES Les premieres exp6riences ont montrd que la source de diam~tre 7.5 cm peut donner un faisceau d'intensitd comprise entre 70 et 100 mAS). I1 est important de savoir si la limitation du courant ionique du faisceau est imputable b une valeur trop faible de la densitd du plasma remplissant la chambre de d6charge, ou b la limitation par la charge d'espace donnde par la loi de Child et traduisant la valeur limite de la densitd de courant d'un faisceau:
J,~x = eeo( 2e/ M)f~V~A/d2.
(1)
En faisant varier le potentiel d'extraction V^, tout en maintenant constante la distance entre les deux grilles, on peut comparer la variation expdrimentale de l'intensit6 du faisceau avec la loi th6orique relic qu'elle devrait ressortir de la limitation par la charge d'espace en supposant une r6partition radiale uniforme de la densit6 de courant dans le faisceau. En fait, la connaissance de cette r6partition a dt6 obtenue grace & l'utilisation d'une sonde calorimdtrique de petites dimensions (disque de cuivre de diam6tre 8 mm) dont le principe repose sur la mesure des gradients thermiques aux deux extr6mitds d'une tige m&allique reli~e b la sonde calorimdtrique6). La fig. 5 reprdsente la rdpartition radiale de la densit6 de courant dans le faisceau
331
A FORTE INTENSITE
pour diffdrentes valeurs de l'intensit6 globale du faisceau. De ces mesures, il ressort d'une part, que l'intensitd du faisceau n'est pas limitdepar!la ~loi de Child mais par une valeur insuffisante de la densitd ionique du plasma darts la source (fig. 4) et d'autre part, que la r@artition de la densit6 ionique n'est pas du tout uniforme darts le faisceau. Cette r6partition est vraisemblablement imposde par la distribution radiale de la densit6 ionique dans le chambre d'ionisation. Une amdlioration possible n'est doric b envisager qu'apr6s avoir effectu6 une 6tude du plasma darts la source et mis en 6vidence les param6tres sur lesquels il s'av6re possible d'agir eflicacement pour: augmenter la densitd ionique darts la source, rendre la rdpartition radiale de la densitd dans la source la plus uniforme possible, ou mSme la rendre maximale vers la pdriph6rie lb of1 la surface d'extraction de la grille est la plus grande. 3. Etude du plasma de la source
Les caract6ristiques du plasma dans la source ont dt6 6tudides en l'ahsence de tension d'extraction, c'esta-dire en laissant le plasma diffuser i~ travers les grilles, en sorte qu'aucune haute tension n'est appliqude b la source. [0(mA) 400
300
200
2 100
. . ~ 3
•
o
VA (kv)
~
~
~
~
~
Fig. 4. Variations de l'intensit6 du faisceau avec le potentiel d'extraction. 1. Courbe th6orique de P6q. (1) avec d = 3.5 ram. 2. Intensit6 maximale correspondant #, une ionisation compl6te du mercur¢ inject6. 3. Courbe ¢xperimentale en m a i n t e n a n t
VD=C te=5kV.
J.F. BONNAL etal.
332
Le
114
1'2
~'o
d8
0'6
d4
0'2
~)
D e n s i t d de c o u r o n t du f o i s c e o u ( m A / c m 2)
Fig. 5. R6part/tion radiale de la densiI6 du courarR. Distance sonde-source = 18 cm. Courant du faisceau: Fq: h) = 100 A; @: In = 50mA; x : In = 25 mA. I1 est possible de tracer la carte de la densit6 du plasma/t l'int6rieur de la source en introduisant longitudinalement dans la d6charge une sonde de Langmuir polaris6e par rapport & la cathode. Cette sonde est constitu6e par un fil de tungst~ne de 0.5 mm de diam6tre d6passant de 1 mm d'un tube de quartz. La sonde offre ainsi au plasma une surface collectrice de 2 mm z. L'axe de la sonde est d6centr6 par rapport h 1'axe de la source, en sorte que l"extr6mit6 de la sonde peut 8tre soumise &: un mouvement de translation permettant de la d6placer longitudinalement dans la source, depuis le distributeur jusqu'aux 2 grilles, un mouvement de rotation lui permettant de se d6placer radialement depuis l'axe de la d6charge jusqu'/t la paroi du corps de la source, grace / t u n e lumi6re pratiqu6e dans les deux grilles.
Les caract6ristiques semi-logarithmiques de sonde permettent de d6terminer le potentiel plasma dont la valeur est indiqu6 ci,dessous dans le cas o4 Va,o = 50V.
= 52 V
n*
x1011 ~ 70G
Filament
3.1. FILAMENT AXIAL
V(plasma) = 50 V = 51 V
Par ailleurs, les caract6ristiques de sonde attribuent aux 61ectrons du plasma une temp6rature de 3/t 4 eV pros de l'anode et 6 eV pr6s du filament. La mise en oeuvre d'une sonde dans un plasma exige, d'une part que la distance Debye soit suffisamment petite (0.01 mm dans les conditions de mesure) devant les dimensions de la sonde, et d'autre part que le rayon de giration des particules charg6es soit grand devant les dimensions de la sonde. Cette deuxi6me condition laisse/l d6sirer pour des 61ectrons de 5 eV soumis & un champ magn6tique de 100 G e t pour lesquels le rayon de Larmor est 6gal aux dimensions de la sonde utilis6e. L'effet du champ magn6tique ne se faisant pas sentir directement sur les ions, il parait doric tout indiqu6 de n'6tudier que la partie ionique de la caract6ristique de sonde. Aussi tous les r6sultats exp6rimentaux qui vont 8tre pr6sent6s ont 6t6 obtenus en polarisant la sonde /t - 5 0 V par rapport & la cathode. Dans les conditions de mesure, un courant ionique de 1 mA recueilli par la sonde correspond & une densit6 ionique de I012/cm3 au voisinage de la sonde. La fig. 6, relative &la source de diam6tre 7.5 cm avec filament axial, met en relief la tr6s grande influence du champ magn6tique sur la variation de la densit6 ionique jusqu'& 70/t 80 G. Au-clel& l'augmentation du champ magn6tique reste sans grand effet sur la densit6 ionique.
pr6s du filament axial /t mi-distance entre filament et anode pr6s de l'anode ext6rieure
gous5 ~
Anode
Fig. 6. R6partition radiale de la densit6 ionique dans le plan de la grille. Filament en 6pingle: /are = 2 A; V~e = 50 V, Q = 1 g/h. - . . . . Fonction de Bessel, 3'o (Kr) avec K = 2. II faut 6galement noter que l'infiuence du champ magn6tique tr~s marqu6e pr6s du filament axial diminue au fur et & mesure que l'on se rapproche de l'anode pour devenir n6gligeable pr6s de celle-ci.
333
ETUDE D ' U N E SOURCE D ' I O N S A FORTE I N T E N S I T E
La forme g6n6rale de ces eourbes vient confirmer le r~sultat th6orique d'un module de d6eharge semblable avee filament axial. Le calcul r6sum6 en annexe a montr6 que la densit6 est donn~e par: n = noJo(Kr),
figurations de champ magn6tique dans le cas oh les bobines produisent un champ de 50 G. La fig. 8 repr6sente les profils de densit6 ainsi obtenus pour les deux configurations de champ magn6tique. Les valeurs de champ indiqu6es sont celles correspondant au champ des bobines seules.
n o repr6sente la valeur de la densit6 sur l'axe de la source.
K = B(~-z/V-)*,
B, champ magn&ique; Z, taux de creation d'ions par ionisation, /z-, mobilit~ des ~leetrons, V, potentiel thermique des ~lectrons. Quand B = 70 G ; Z = 106/s; # - = 0.7 × 104 inks; - = 5VonaK-~2.5/cm. Or sur la fig. 6, la courbe exp~rimentale ~t 70 G peut &re compar~e ~ la courbe th~orique J o ( K r ) avec K,,- 2. 3.2. FILAMENT EN BOUCLE Ces mesures ont ~t~ r6p&b.es dans les m~mes conditions avec cette fois u n filament constitu~ d'un fil de tantale repli~ en forme de boucle ayant u n diam&re de 20 mm. Le plan de la boucle est perpendiculaire & l'axe de la source. Le passage du courant de chauffage (30 A) dans le filament donne naissance & u n champ magn6tique b non n~gligeable (20 G dans le plan de la boucle) par rapport au champ B c r ~ par les bobines ext6rieures.
bistr]buteur
Anode
6O]sur['=xe
//
401
xX
20J
.--~
2
o
! Fflament
\ N ~ B.b ~x
"--'~B-b
0 Fig. 7. Configurations de champ magn6tique pour la source anode ext6rieure et filament central en boucle.
&
Selon que le champ b s'ajoute ou se retranche au champ B, la configuration de champ r6gnant dans la chambre d'ionisation est notablement diff6rente comme l'indique la fig. 7 ofl sont repr6sent6es les deux con-
i %__ Anode
Fig. 8. R~partition radiale de la densit6 ionique clans le plan de la grille. Filament en boucle: V,re = 50 V; l~c = 2 A; Q=lg/h.
Grilles
~lntensJt6 du Gauss/champ magn~tique
100gauss
B+b;
....
B--b.
Ces r6sultats exp6rimentaux sugg6rent trois remarques: 1. La densit6 ionique et la r6partition radiale de cette densit6 sont plus favorables a v e c l a configuration B + b qu'avec la configuration B - b e n bouteille magn6tique. 2. Dans la configuration B + b, la densit6 ionique est plus 61ev6e clue pour la source & filament axial en 6pingle et d'autre part, la r6partition radiale de la densit6 est moins inhomog~ne comme le montre la comparaison avec la fig. 6. 3. Dans le cas de la configuration de champ magn6tique favorable, la r6partition radiale de la densit6 ionique semble &re essentiellement d6termin6e par le rayon du filament puisque le maximum de densit6 correspond pr6cis6ment ~t la valeur du rayon du filament en boucle. I1 semble done s6duisant de rapprocher le filament de l'anode, c'est-h-dire d'61argir le diam~tre de la boucle en esp6rant ainsi d6placer le maximum de densit6 ionique vers la p6riph6rie de la source, h l'endroit m~me o~ la surface d'extraction de la grille est la plus grande.
334
J.F. BONNAL j ,.,. . ~ f
,I
Filament
St6utitas •,~
I
I I -centrate htensitd du champ Gauss I magn~tic~ue s u P l'axe 60 40.
--. ....... :
20-
~
;__-:°og g.... ....
~
B= ~0 gauss
0
Fig. 9. Configurations de champ magn6tique pour la source /t anode centrale. B + b; . . . . B - b. Mais si le filament est plac6 pros de l'anode, une pattie importante des 6lectrons 6mis est imm6diatement capt6e par l'anode sans ioniser le gaz. I1 semble donc pr6f6rable de songer & un module de source ob l'anode est situ~e sur l'axe de la d6charge et le filament pros de la paroi de la source. L'extr6mit6 n6gative du filament est au m~me potential que le corps de la source. On aboutit ainsi &une source sch6matis6e sur la fig. 9. C o m m a pr4c~demment, le courant de chauffage du filament cr6e un c h a m p magn6tique b (de 5 & 6 G) qui perturbe la r6partition du champ des bobines. La fig. 10 repr~sente les profils de densit6 ainsi obtenus pour les deux configurations de champ magn6tique. De l'examen de ces courbes, il ressort qua: la densit6 ionique est bien maximale au voisinage du filament, c'est-~-dire pros de la p4riph6rie de la source, le meilleur profil de densit6 est obtenu avec la configuration de c h a m p magn6tique B - b, pour un c h a m p ext6rieur sup4rieur ~t 30 G, et avec la configurax1011 £m 3
e t al.
tion B + b pour un c h a m p ext6rieur inf6rieur & 30 G. pour B = 0, c'est-&-dire en absence de tout c h a m p magn6tique ext6rieur, la densit6 ionique conserve une valeur non n6gligeable. La valeur absolue de la densit6 ionique est en m o y e n n e deux fois plus faible qua dans le cas de la source & filament central en boucle et anode ext~rieure. Malgr~ ce dernier d6faut, ce type de source peut %tre int6ressant dans certains cas particuliers grace &: son fonctionnement avec une densit~ ionique notable en l'ahsence de tout c h a m p magn6tique ext~rieur, la possibilit~ de modeler la r6partition radiale de la densit~ ionique. A partir des figs. 6, 8 et 10 relatives aux profils de densit~ ohtenus avec les trois mod&les de source exl~rimentales, il est possible, en int~grant la valeur du courant ionique de la sonde sur la surface ouverte de la grille, de faire apparattre un classement relatif de ces trois types de source. Le facteur de m~rite est d6fini comma i t a n t proportionnel & l'intensit~ du faisceau susceptible d'etre obtenu, pour les conditions exp~rimentales suivantes: Va~c = 50 V; Iarc = 2 A ; B = 1 0 0 G ; Q = 1 g/h. 3 . 3 . VF~RIFICATION$ $ U R LE FAISCEAU
Les figs. 11 et 12 font ressortir, pour chacun des trois types de source, la variation de l'intensit6 du faisceau [D(mA) 100
75 //
~
.
_
1.1+
4
100 gauss . 2.
..~.~"-/~"'~
I,I ~
~
70 g . . . .
_
20
r
~'~
25
auss
20 gauss , B(gauss?
0
node
Filament
Paroi ~
Fig. 10. R~partition radiale de la densit6 ionique dans le plan de la grille. Anode centrale: V~re = 50 V ; l~re = 2 A ; Q = 1 g/h. --B+b;
....
B-b.
2b
4b
40
so
_
loo
Fig. 11. Influence du champ magn~tique sur l'intensite du faisceau. Source &anode ext6rieure. Filament central en boucle: 1. B + b; 2. B - b. 3. Filament axial en 6pingle. Va~e = 50 V; /are = 2 A; Q = 1 g/h.
ETUDE D ' U N E SOURCE D ' I O N S A FORTE I N T E N S I T E
335
se r6v~lent ainsi en b o n a c c o r d / t m i e u x que 10% pr6s. Cette excellente convergence m o n t r e l'intgr~t de l'gtude d u p l a s m a de la d6charge qui seule p e r m e t d ' o p t i m i s e r les caract6ristiques de la source en fonction de l'utilisation envisag6e.
l iD(r,nA ) " lOO
4. Installations d'essais et etude des performances de la source de diametre 10 em
75"
z.z 50"
/II'
~'/'X \xx_j 25.
B(gaus!,) 0
20
40
60
80
loo a''
Fig. 12. Influence du champ magn6tique sur l'intensit6 du faisceau Source &anode centrale et filament ext6rieur en boucle: 1. B + b; 2. B - - b. V*re = 50V,/are = 2 A ; Q = lg/h. en f o n c t i o n d u c h a m p m a g n e t i q u e d a n s les m 6 m e s c o n d i t i o n s exp6rimentales q u e p o u r les m e s u r e s pr6c6dentes. P o u r u n e valeur de c h a m p m a g n 6 t i q u e B = 100 G, la c o m p a r a i s o n des intensit6s de faisceaux m e t en 6vidence le classement s u i v a n t d a n s le tableau. Les m e s u r e s 61ectriques de l'intensit~ d u faisceau et les valeurs d6duites de la densit6 ionique d a n s la source TABLEA!I I Faeteur de m6rite
Facteur de m6rite
R~sultat foumi par R6sultat foumi par la 1'6tude de la sonde mesure de l'intensit6 dans la d6eharge du faisceau
Source &anode ext6rieure et iliament axial en 6pingle (source Kaufman)
1 ( valeur de "~ \ normalisation ]
( valeur de "~ 1 ~ normalisation /
Source/t anode ext6rieure et filament central en boucle
1.70
1.60
Source/t anode centrale et filament ext6rieur en boucle
1.20
1.30
U n e source de diam~tre 10 c m d6duite de la premi/~re p a r h o m o t h 6 t i e a 6t6 mise en oeuvre p o u r obtenir u n faisceau de plus forte intensit& L a source est plac6e d a n s u n e enceinte repr6sent6e sur la p h o t o no. 2. C ' e s t u n e cuve cylindrique en acier inoxydable de 3 m de l o n g u e u r et 1.5 m de diam~tre. Elle est vid6e p a r 2 p o m p e s / t diffusion d ' h u i l e de d6bit unitaire b r u t 6gal & 10000 1/s. Elle c o n t i e n t d ' a u t r e p a r t u n pi6ge h azote liquide destin6 & c o n d e n s e r les v a p e u r s de mercure. Ce c o n d e n s e u r m u n i d'ailettes pr6sente u n e surface totale de 48 m 2. D a n s ces c o n d i t i o n s , la pression de f o n c t i o n n e m e n t c o r r e s p o n d h ]0 - 6 m m de m e r c u r e lorsque la source est en action. Afin de b6n6ficier d ' u n e souplesse de travail sut~sante, l'enceinte a 6t6 6quip6e de la faqon suivante: - la source est fix6e sur u n e platine; u n s u p p o r t mobile p e r m e t de la faire p6n&rer d ' u n e faqon c o n t i n u e l'int6rieur de l'enceinte sur u n e distance de pros d ' u n m~tre. La source est d ' a u t r e p a r t e s c a m o t a b l e ~, l'int6rieur d ' u n sas of~ elle p e u t Etre isol6e compl6tem e n t d u reste de l'installation p a r u n e v a n n e & effacem e n t total, ce qui p e r m e t d'avoir acc~s /t la source s a n s faire de rentr6e d ' a i r d a n s le caisson, - l a cible de 0.45 m de diam~tre p e u t se d6placer l o n g i t u d i n a l e m e n t d ' u n m o u v e m e n t c o n t i n u sur l'axe de l'enceinte, avec u n e course d ' e n v i r o n 1.80 m. Cette cible, isol6e p a r r a p p o r t & la m a s s e p o u r que l ' o n puisse effectuer des m e s u r e s 61ectriques, est refroidie p a r circulation d'eau. 4.1. PERFORMANCES DE LA SOURCE DE DIAMI~TRE 10 CM A ANODE EXTI~RIEURE
Le diam6tre d u f a i s c e a u / t la sortie de la source est 10 cm. Cette source a 6t6 6tudi6e d a n s les meilleures conditions d6finies p a r les m e s u r e s de sonde, c'est-&-dire avec u n filament en boucle de diam6tre 4 c m environ et u n e configuration de c h a m p m a g n 6 t i q u e B + b. La fig. 13 repr6sente la v a r i a t i o n de l'intensit6 d u faisceau avec la t e n s i o n d'arc, p o u r trois valeurs de c h a m p magn6tique. L a fig. 14 repr6sente la variation de l'intensit6 d u faisceau avec le c h a m p m a g n 6 t i q u e p o u r trois d6bits de m e r c u r e diff6rents. La s a t u r a t i o n d a n s la valeur d u c o u r a n t de faisceau en fonction d u c h a m p magn6tique
J.F. BONNAL et al.
336
I ID(mA)
////41/t/"
2
200,
]50'
semble apparaitre p o u r de plus faibles valeurs de B qu'avec la source de diam~tre 7.5 cm. La fig. 15 repr6sente un r6seau de courbes traduisant les variatiens de l'intensit6 du faisceau avec le c o u r a n t d'arc et le d6bit de vapeur de mercure. I1 est possible de m o n t r e r que la pente initiale de la partie lin6aire ofl les diff6rentes courbes sont pratiquement confondues, peut &re consid6t6e c o m m e repr6sentant un facteur de qualit6 de la source 1i6 au rendement 61ectrique. D ' a u t r e part, il apparait un ph6nom~ne de saturation d ' a u t a n t plus net que le d6bit de mercure est plus faible, cette saturation correspond & u n rendement m a x i m u m d'utilisation (d6fini plus loin).
100-
ID(mA) 300 ;¢
50-
I ./f" /"
y, ...-"¢" ,/
200
Vo,.c(V)
0
20
,,~
'
6'o
'
/ ,#,
"-
Fig. 13. Variations de l'intensit6 du faisceau avec la tension de d~harge, late = 4 A;O = 199°C; Q = 2.2 g/h. 1. Bma~ = 60 G; 2. BmLx = 40G; 3. Bronx = 20G.
..
100 /
3
-~
4
ID(rnA)
250 1
I~¢(A)
x*
o
~
,
:~
,
~ =
,i
200 •i I
150
II~
Fig. 15. Variations de l'intensit6 du faisceau avee le courant de d6charge et le d6bit de gaz. V~rc = 50 V; Bmax = 60 G.
iI 2 d~
IIll
/ 50
,
'//
l;/ Bmax(gQuss)
1 . 0 = 210°C, Q = 2.9 g/h.
3 . 0 = 190°C, Q = 1.5 g/h.
2.0 = 199°C, Q = 2.2 g/h.
4. 0 = 178°C, Q = 0.9 g/h.
Ces r~sultats peuvent ~tre pr~sent6s diff~remment p o u r mieux traduire ce dernier point, c o m m e le m o n t r e la fig. 16, o6 figure la variation du courant du faisceau en fonction du d~bit de mercure p o u r diff~rents courants d'arc. La ligne droite pointill6e caract~rise une ionisation totale du mercure, c'est-&-dire un rendement d'utilisation unit~. A partir de ces r~seaux de courbes, il se r6v~le ainsi possible de d&erminer le point de fonctionnement o p t i m u m de la source p o u r un d~bit de mercure donn~ ou un c o u r a n t d'arc donn& 4.2. RENDEMENTS
Fig. 14. Variations de l'intensit6 du faisceau avec le champ magn~tique et le d~bit de gaz./are = 4 A; Varc = 50 V. 1.0 = 199°C, Q = 2.2 g/h. 2.0 = 190°C, Q = 1.5 g/h. 3.0 = 178°C, Q = 0.9 g/h.
4.2.1 Rendement d'utilisation ~o des atomes neutres introduits dans la source I1 est d~fini par le r a p p o r t du d~bit de masse des ions du faisceau, au d6bit de masse Q des atomes de mercure
ETUDE
D'UNE
SOURCE
D'IONS
337
INTENSITE
ideal qui ne contiendrait que des ions Hg + et j, la densit6 de courant d'un faisceau r~el contenant ~ la lois des ions Hg + et Hg + +.
ID(mA)
/
// /~
300
A FORTE
Ji = ~ i
j, = ~ : + 2 ~ : +.
~oo-
//////
ao, t et ao, 2 6tant respectivement les sections efficaces simples et doubles d'ionisation des atomes de mercure par les 61ectrons, et en supposant que v + ÷ = v + ~/2, on peut montrer, dans l'hypoth~se de la conservation du flux (?l = 7,+ + 7r+ ÷) que:
.4..
j~ = 1 + 2~Oo,2/Oo,t /
o
Ji
/
/
;
~
Q(g/h)
~:
Fig. 16. Variations d e l'intensit~ d u faisceau avec le c o u r a n t d ' a r c et le d , b i t de mercure. Vsre = 50 V ; Bins= = 60 O . 1. Isre = 6 A . 2. l t r e = 5 A .
3./~re = 4 A. 4. ltre = 3 A .
5. I,re = 2 A . 6. late = 1 A .
provenant de la chaudi~re. La d6termination de (2 se fait par pes6e de la chaudi~re avant et apr~s fonctionnemerit, ~ la teml~rature 0 r6gul6e pendant un intervalle de temps connu. Les r6sultats de cet *talonnage sont valables /t 1 0 ~ pr~s. Le d6bit de masse des ions du faisceau est obtenu par la d6termination de l'intensit6 du courant du faisceau. Les mesures d'intensit6 de faisceau peuvent ~tre perturb~es par l'6mission secondaire d'~lectrons due au bombardement ionique. Bien que les precautions aient ~t6 prises pour pi*ger les ~lectrons secondaires les d,terminations 61ectriques de rintensit6 du faisceau ont 6t~ contr61~es par une mesure calorim*trique. A cet effet, la cible est/xluilx~e d'un dispositif permettant de d*terminer la puissance dissip6e par le faisceau sur ta cible (valeur limite 10 kW). La concordance s'est toujours r6v~16, bonne entre les r~sultats thermiques et 61ectriques. On d~termine ainsi un rendement #u global. En fait, cette valeur est contestable et doit ~tre corrig~e pour la raison suivante: la d~finition de t/. donn6"e prc~A~demment se rapporte u n faisceau ne comprenant que des ions Hg +. Or, en appliquant des tensions d'arc sup~rieures au potentiel de double ionisation du mercure (soit 30 V) il apparatt des ions Hg ++ qui majorent la valeur de l'intensit~ du faisceau. D~signons par j~ l a densit~ de courant d'un faisceau
1 + ~/~0,2/cro,t
Ainsi pour un potentiel d'arc de 50 V, Jr/Ji = 1AS valeur qui donne le facteur de correction du rendement d'utilisation. La fig. 17 met en relief la variation du rendement r/u corrig6 en fonction du courant d'arc et du d6bit de mercure pour les r6sultats pr6sent6s sur les figs. 15 et 16. Ainsi, m~me en tenant compte de ces conditions, la source peut avoir u n rendement d'utilisation sup6rieure
80%. % IqU)corrtge~ loo
80
60.
40
20
Iarc(A) 0
i
I 2
i
i .4
~
-
Fig. 17. R e n d e m e n t d'utilisation corrig~. Ytre ~- 50 V ; Bmax = 60 G . 1. Q = 0.9 g/h; 2. Q = 1.5 g/h; 3. Q = 2.2 g / h ; 4. Q = 2.9 g/h.
J.F. BONNAL et ai.
338 4.2.2 Rendement dlectrique
C'est un rendement de puissance dffmi par le rapport: fie = Puissance du faisceau/Puissance totale consomm~e. La fig. 18 repr~sente la variation du rendement 61ectrique en fonction du courant d'arc en tenant compte de la puissance dissip~e dans l'arc, dans le filament, les bobines et la grille acc~l~ratrice. Si une ~telle source 6tait appliqu~e ~ la propulsion 61ectrique, le rendement 61ectrique devrait ~tre optimis& II serait m~essaire de r e m p l a ~ r le filament 6missif consommant de 100 ~t 300 W par une cathode sp~ciale'de plus faible consommation. Si on n6glige la puissance dissip~e dans le filament, on obtient des rendements ~lectriques notablement plus 61ev~s comme la fig. 18 le met en ~vidence pour un d6bit de mercure Q -- 2.2 g/h. 4.3. PERFORMANCESDE LA SOURCEDE DIAMLbI'RE 10 CM ANODE CENTRALE La source de diam~tre 10 cm a 6t6 6quip6e 6galement avec une anode centrale et un filament l~riph~rique en boucle. La variation de l'intensit~ du faisceau en fonction du champ magn6tique pr6sente la m~me allure qu'avec la source de diam~tre 7.5 cm. Pour un fonctionnement de la source sans champ magn6tique ext6rieur, la fig. 19 traduit la variation de rintensit6 du faisceau en fonction du courant d'arc pour diff6rents d6bits de mercure. On voit ainsi que sans champ magn6tique ext6rieur, ce type de source est susceptible de fournir un courant pouvant atteindre °ta
, r~E
1OO
I
80
60
100 mA avec un rendement de 45%. La pr6sence d'un champ magn6tique fair croitre le courant d'environ
50%. I D (mA)
100"
~
I
111 . ~ 2
o
~
~
!arc(A) 6
Fig. 19. Variations de l'intensit6 du faisceau avec le courant de d~harge en absence de champ magn6tique. Anode centrale. Fare = 50 V; Bmlx = 0. 1.0 = 198°C, Q = 2.1 g/h. 2.0 = 190°C, Q = 1.5 g/h.
3.0=178°C, Q=O.9g/h. 5. Conclusion Les 6tudes th6oriques et exp6rimentales de la densit6 ionique ~t rint6rieur d'une source du type Kaufman ont sugg6r6 aux auteurs plusieurs variantes qui conduisent a des performances int6ressantes. En particulier, darts ces nouvelles versions les conditions d'ionisation ont 6t6 am6fior~es notablement ainsi que la densit~ de courant du faisceau extrait. Le comportement du faiscean en fonction de la tension d'acc~l~ration montre clairemont que les performances de ces sources, bien que tr~s 6tev6es, peuvent ~tre encore am61ior6es. Les 6tudes ont 6t6 ex~cut6es sur des faiseaux dont rintensit6 atteint 300 mA. Le rendement d'utilisation maximum obtenu est de 80%. Nous pensons que de telles sources peuvent ~tre utilis~s a d'autres fins que la propulsion 61ectrique. En particulier, eUes nous paraissent pouvoir concurrencer avantageusement les duoplasmatrons ~t expansion de plasma.
4
Icrc (A)
Fig. 18. Rendement 61ectdque. Filament em I~le. ]/are = 5 0 V ;
Bnm x = 6 0 O .
2. Q = 2.9 g/h; 3. Q = 2.2 g/h; 4. Q = 1.5 g/h; 5. Q = 0.9 g/h. 1. Q = 2.2 g/h. sans tenir cornpte de la puissance dissip6eclans le filament.
Nous tenons ~ exprimer nos remerciements ~ M. Winter pour rappui qu'il nous a fourni et les judicieux conseils qu'il nous a donn6s. Nos remerciements s'adressent 6galement ~ M. Taillet pour les discussions int6ressantes que nous avons eues avec lui. M. Lutz nous a apport6 une aide pr~cieuse en nous dormant le m6thodes et les moyens de r6aliser les installations ~t vide avec lesquelles nous avons travaill6. Que M. Degras soit associ6 ~ ces remerciements.
339
ETUDE D ' U N E SOURCE D'IONS A FORTE INTENSITE
ANNEXE On se propose d'~erire les ~quations g~n6rales d'un + module de source h g~om6trie eylindrique comprenant un filament axial + 6missif et une anode cylindrique ext~rieure. 1. L'~quation de conservation de la quantit~ de mouvement d a m l'hypoth~se du r~gime stationnaire (O]Ot = 0) et d'un milieu ionis~ dans lequel r~gnent u n champ ~lectrique £ et u n champ magn~tique B permanent est la suivante: - e n - ( £ + ~ x B) - V ( n - k T - ) - n - m - v - v -
avec la mobilit~
l_r_ r
= - n - l t - ( E + ~ x B) - D - V n - , # - ffi e / m - v -
et le coefficient de diffusion: D - = k T - ] m - v - . On se propose maintenant d'6erire les composantes radiales et azimutales du flux en g~om~trie cylindrique (coordonn6es r, 0 et z) avee 0/00 = 0 et en ne retenant que les composantes E, et B: -- B
-~r -~
L'hypoth~se ( w - / v - ) ~ >~ 1 entraine ~,- - (v-/co-)2/z - et
~- ~- - ( v - / ~ o - ) ~ - . Les flux radiaux et azimutaux s'6erivent:
r ; -- - ( v - / o f ) ~ [ n - t ~ - ( E , + v ; B ) + D-On-~Or] = - n-(v-/o,-)~-v,B
= - r;.
La combinaison de ces deux expressions donne: F~-(1- ~s_)=-n-(~_)2(g-E,+D-~-r) n-
ou
~r-B ~
~r + + ~ + ~-B~z)
r
n = O.
Les mesures de sonde dans la d6eharge ont~ montr6 clue E, ~ 0.6 V/era et OE,/Or -- O. Suivant les m6thodes de caleul retenues, z = 2 × 10~/s et p - = 1 × 104 inks. p - B 2 z ffi 5 x 10 s avee B- 70G. Ainsi E,/r ,~ p - B 2 z j n s q u ' a u bord du filament axial. En outre, nous supposerons 8 V - / O r = O. Ces approximations permettent d'~erire, ~t I 0~0 pros: 02n + 1 On . i~-BZz
Or---~ r Or * - ~ : -
n ~ O
n(r) = noJo(Kr) avec K ffi B ( # - z / V - p .
Ce rOsultat valable pour les 61ectrons dolt l'~tre 6galement pour les ions par suite du couplage 61ectronsions. Liste des symboles utilis~s
F ; = n - p ~ v ; B.
r;
-+ ~-~r
F ; = - n - # ; ( E , + r o B ) - DT ~ n - / S r
D,- -~ (v-/o~-)2V - ,
~r.
" +'--~-r = z n - "
En y introduisant l'expression obtemm.ei-dessus pour F~- il vient:
= 0
pour les ~lectrons et une &tuation identique pour les ions. A partir de l'expression p r ~ d e n t e , on peut faire apparaitre l'~quation du flux des ~lectrons: F- = n-v-
cules s'b:rit: div F - = z n - od z repr6sente le nombre de paires ~lectromion cr~L'es par ionisation en une seconde par 61ectron incident. Dans le cadre de nos hypotheses div F - se r~duit la composante radiale:
n- ~
avee V - = k T - / e et l'hypoth~se ~o-/v- ~ 1. 2. L'btuation de conservation du nombre de patti-
B Induction magn6tique er66e par les bobines (G). B.m Valeur maximale de B ~t la position du distributeur. b Induction magn~tique cr6~'e par le eourant de chauffage du filament ~missif en forme de boucle. 7i Flux d'ions d'un faiseeau id6al ne contenant que des ions Hg*. 7r Flux d'ions d'un faisceau r6el contenant ~t la lois des ions Hg + et Hg + +. T+ Flux d'ions Hg + d'un faisceau r~el. 7+ + Flux d'ions Hg ++ d'un faisceau r6el. F7 Flux radial des 61ectrons dans la source. F[ Flux azimutal des ~lectrons dans la source. D - Coefficient de diffusion des 61ectrons dans la d E
source. Distance e n t r e les deux grilles. C h a m p 61ectrique d a n s la source.
Er
Champ ~lectrique radial dans la source.
340
J.F. BOlqlqAL eta[.
e Charge 616mentaire: 1.6 x l 0 - 1 9 C. 80 Constante di61ectrique du vide. ~/E Rendement de puissance de la source, t/U Rendement d'utilisation de la source. 0 Temp6rature r6gul6e de la chaudi6re de mercure. Iarc Intensit6 du courant d'arc. Fcl Intensit6 du courant de faisceau recueilli par la cible. I~2 Intensit6 du courant du faisceau tombant sur les parois de l'enceinte. I D Intensit6 totale du courant du faisceau. Jmax Densit6 de courant limit6 par la loi de Child. Ji Densit6 de courant d'un faisceau id6al ne contenant que des ions Hg +. j, Densit6 de courant d'un faisceau r6el contenant /t la fois des ions Hg + et Hg + +. k Constante de Boltzmann. M Masse d'un atome de mercure. m - Masse d'un 61ectron. ~Mobilit6 d'un 61ectron dans la source. nDensit6 61ectronique (cm-3). n + Densit6 ionique (cm-3). no Densit6 sur l'axe de la source (cm-3). vFr6quence de collisions 61ectron-atome dans la source. Q D6bit d'atomes de mercure introduits dans la source (g/h). S Surface ouverte de la grille. Oo, 1 Section efficace d'ionisation simple des atomes de mercure par les 61ectrons.
~o,2 Section etficace d'ionisation double des atomes de mercure par les 61ectrons. V,~c Tension d'arc. V - Potent/el thermique des 61ectrons dans la source. Vv Potent/el positif auquel est port6e la source. d V Potent/el n6gat/f de la grilte d'acc~16ration. VA Potentiel d'extraction des ions de la source. vVitesse d'un 61ectron dans la source. v~" Composante radiale de la vitesse d'un 61ectron dans la source. v~" Composante azimutale de la vitesse d'un 61ectron dans la source. v + Vitesse d'un ion Hg +. v + + Vitesse d'un ion Hg + +. Z Taux de cr6ation de paires 61ectron-ion par ionisation dans la source. co- Pulsation cyelotronique des 61ectrons darts la source.
R6f6reaees 1) N. B. Brooks et al., Rev. Sci. Instr. 35 894. 2) H. R. Kaufman, NASA TN D 585. 3)H. R. Kaufman and P. D. Reader, ARS no. 1374--60, (Nov. 1960). 4) p. D. Reader, AIAA 63031-63. s)j. F. Bonnal et al., Recherches sur la propulsion ionique effectu6es en commun par le CEA et la SNECMA. II. Dispositif d'6tude et r6sultats. IIIrd European space-flightsymposium no. 1556 (63), Stuttgart (May 1963). 6) j. F. Bonnal et al., Recherches sur la propulsion ionique, 13th gen. Ass. AGARD, Ath6nes (July 1963).