Production des ions négatifs en surface de graphite dans un plasma d'hydrogène et de deutérium

CHAPITRE IV

MESURES EXPERIMENTALES

A travers les acquisitions des FDI (Fonction de Distribution Ionique) du spectromètre, nous présentons une étude paramétrique des ions positifs présents dans le plasma, afin de mieux comprendre les mécanismes de formation et de perte de ces ions. L'influence de divers paramètres expérimentaux est montrée (Gaz plasma, pression, puissance, densité, polarisation de l'échantillon...). En deuxième partie, on reprend l'étude sur les ions négatifs.

4.1 INTRODUCTION :

Les ions négatifs sont largement étudiés [28,29,30] pour plusieurs raisons. Ils sont utilisés pour générer des faisceaux de haute énergie de particules neutres (fusion), comme ils participent à l'équilibre global du plasma et on ne peut pas comprendre un plasma électronégatif en ignorant les ions négatifs.

Dans ce travail, nous nous sommes intéressés à deux types de plasmas : Hydrogène et Deutérium, soit à deux types d'ions négatifs : H- et D-. Comme nous avons vu précédemment, ces ions sont crées en volume, ou/et en surface. La totalité de nos résultats a été obtenue sur l'échantillon graphite HOPG (Highly Oriented Pyrolitic Graphite). Le choix d'un tel matériau a déjà été abordé en introduction (Ch.1.3.3 et 1.4.2).

L'équipe Plasma - Surface [31], par dépouillement de nombreux résultats de manipulation sur Phisis, a fait le constat de l'existence d'une dépendance entre la densité des ions négatifs et le flux d'ions positifs sur la surface.

En prenant en ordonnée les intégrales des IEDF des ions H- et en abscisse le flux d'ions mesuré par sondes, la figure 4.1 présente bien la proportionnalité qui existe entre les ions négatifs et le flux d'ions positifs. Ce qui prouve bien que les ions négatifs sont crées par le flux d'ions positifs.

.

Chapitre IV Mesures expérimentales

^2,5x105

^2,0x105

^3,5x105

^3,0x105

^5,0x104

^1,5x105

^1,0x105

^0,0

^{0.4 Pa H2}

^{Surface bias:}

^0V

^-20V

^-40V

^-60V

^-80V

H ₂ + _e ? ?? H 2 + + _{2 e}

^30W

^100W

^300W

^{0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10}

- 40 -

^{Ion flux (mA)}

Fig. 4.1 Proportionnalité densité des ions négatifs et flux d'ions positifs.

(pour différentes polarisations)

Cette observation nous a emmené à diviser notre étude en deux parties :

- Une première partie totalement consacré à ces ions positifs,

- Sur la seconde partie, on reprend l'étude des ions négatifs, travail largement entamé

par l'équipe Plasma-Surface du laboratoire PIIM.

H ₂ + e ? ? ?? H + + _H + ₂ e ?

4.2 ETUDE DES IONS POSITIFS :

Les ions négatifs étant créés à partir des ions positifs, nous démarrons ce chapitre par une étude des ions positifs présents dans le plasma en fonction des paramètres expérimentaux H ₂ + _e ? ?? _{2 H} + _e

_H + _e ? ?? H + + _{2 e}

4.2.1 Mécanisme de création des ions positifs :

Pour un plasma d'hydrogène (idem pour le plasma de deutérium), il existe trois types d'ions positifs qui sont respectivement [31]:

H + + _H ? ?? H + + _H

_{2 2 3}

, , ions positifs d'hydrogène

, , ions positifs deutérium

La création des ions positifs se fait par divers mécanismes suivants: (4.1a) (4.1b) (4.1c) (4.1d) (4.1e)

Chapitre IV Mesures expérimentales

- 41 -

Il nous faut préciser, que pour chaque mécanisme, les électrons doivent avoir une énergie spécifique : Par exemple : pour le premier, il faut des électrons dont l'énergie est supérieure à 15eV, pour le deuxième, des électrons dont l'énergie est supérieure à 13,6eV, le quatrième mécanisme requière des électrons à 9eV.

Les pertes de ces ions, principalement dues à la recombinaison avec un électron en général après diffusion à la paroi, sont mentionnées par les mécanismes ci dessous :

(4.2a)

(4.2b) (4.2c)

N.B : Les mêmes mécanismes sont valables pour le deutérium.

Dans les paragraphes suivants nous présentons une étude paramétrique des ions positifs présents dans le plasma. Notre but est de mieux comprendre les mécanismes de formation et de perte de ces ions, et d'identifier des conditions où un seul type d'ions domine.

En effet, l'étude de la création des ions négatifs sera facilitée si l'échantillon n'est bombardé que par un ion donné.

4.2.2 Exemple et méthode d'acquisition des FDI :

Nous commençons par donner des exemples d'acquisition des FDI des ions positifs par spectromètre de masse : Les graphes suivants (Fig. 4.2) donnent les intensités relatives des ions positives à 0.2Pa 300W et 2Pa 100W, pour un plasma d'hydrogène et du deutérium, avec optimisation du réglage du spectromètre à la masse 2a.m.u pour l'hydrogène et à 4a.m.u pour le deutérium.

De la forme des FDI, nous pouvons en sortir deux indications :

- Comme la majorité des ions positifs sont au potentiel plasma, le maximum de la FDI nous donne la valeur de ce dernier.

- Tandis que les proportions des différents types d'ions sont obtenues par un calcul sur le rapport des surfaces des FDI.

Remarque : A 2a.m.u, la transmission pour l'hydrogène est optimum pour la masse mais ne l'est pas pour les masses 1a.m.u et 3a.m.u. Idem pour le deutérium optimisé à la masse 4a.m.u, mais elle ne l'est pas pour les masses 2a.m.u et 6a.m.u.

Chapitre IV Mesures expérimentales

Les proportions que nous obtenons sont donc relatives et non pas absolues. Mais les différents réglages ne changent jamais l'ordre, (on a toujours le même ion qui domine) et ne change pas de manière drastique les résultats.

2 u.m.a 4 u.m.a

Plasma hydrogène Plasma deutérium

^1800000

^1600000

^1400000

^1200000

^1000000

⁸⁰⁰⁰⁰⁰

⁶⁰⁰⁰⁰⁰

⁴⁰⁰⁰⁰⁰

²⁰⁰⁰⁰⁰

⁰

^{Mass spectrometer tuned on 4a.m.u}

^{0.2Pa 300W}

^D+

^D+

³

^D+

²

^2400000

^2200000

^2000000

^1800000

^1600000

^1400000

^1200000

^1000000

⁸⁰⁰⁰⁰⁰

⁶⁰⁰⁰⁰⁰

⁴⁰⁰⁰⁰⁰

²⁰⁰⁰⁰⁰

^{Mass spectrometer tuned on 2a.m.u}

^{0.2Pa 300W}

^H+

^H+

²

^H+

³

^{0 20 40 60 80 100}

Pression = 0.2Pa et Puissance = 300W

⁰

^{0 20 40 60 80 100}

^{Potential (V)}

^{Potential (V)}

⁴⁰⁰⁰⁰⁰

³⁰⁰⁰⁰⁰

²⁰⁰⁰⁰⁰

¹⁰⁰⁰⁰⁰

⁰

^{Mass spectrometer tuned on 4a.m.u}

^{2Pa 100W}

^D+

^D+

²

^D+

³

⁸⁰⁰⁰⁰⁰

⁶⁰⁰⁰⁰⁰

⁴⁰⁰⁰⁰⁰

²⁰⁰⁰⁰⁰

^{Mass spetrometer tuned on 2a.m.u}

^{2Pa 100W}

^H+

^H+

²

^H+

³

^{0 20 40 60 80 100}

Pression = 2Pa et Puissance = 100W

^1000000

⁰

^{0 20 40 60 80 100}

^{Potential (V)}

^Potential (V)

- 42 -

Fig. 4.2 Intensité relative des ions positifs

- 43 -

Chapitre IV Mesures expérimentales

? _H2