Étude spectroscopique des phénomènes de résonance dans les plasmas micro-ondes

Abstract

Dans les plasmas produits par des champs électromagnétiques de haute fréquence, le chauffage des électrons peut provenir du chauffage ohmique (collisionnel) ou encore de processus non collisionnels. Dans ce régime, la production d'électrons suprathermiques peut résulter de la conversion de l'onde électromagnétique en ondes électrostatiques au point de résonance (lorsque la permittivité du plasma εp→0) et leur amortissement par effet Landau. L'objectif de ce mémoire de maîtrise est de caractériser expérimentalement l'effet de processus non collisionnels associés à la présence d'une résonance sur la fonction de distribution en énergie des électrons (FDEE). L'étude a été effectuée par spectroscopie optique d'émission de gaz rares dans divers plasmas susceptibles de présenter des phénomènes de résonance. Pour des plasmas tubulaires à basse pression (<50 mTorr) produits par des ondes électromagnétiques de surface à 600MHz, la FDEE est caractérisée par deux températures : TeAll décrit l'énergie moyenne et TeTail représente les électrons de la queue de la distribution. Une étude paramétrique de ces températures en fonction de la position axiale le long de la colonne de plasma et de la pression du gaz a permis de corréler l'augmentation du rapport TeTail / TeAll avec la longueur caractéristique du gradient de densité électronique dans le plasma L. Des mesures et analyses similaires ont aussi été réalisées dans une source à plasma micro-onde magnétisée entretenue à la résonance cyclotronique électronique. Dans ces conditions, la production d'électrons suprathermiques provient non seulement des phénomènes de résonance et des interactions ondes-particules évoqués plus haut mais aussi de la résonance cyclotronique électronique.

In plasmas produced by high-frequency electromagnetic fields, electron heating can result from ohmic heating (collisional) or from collisionless processes. In this regime, the production of suprathermal electrons can result from the conversion at the resonant point (when the plasma permittivity εp→0) of the propagating electromagnetic wave into electrostatic waves and their absorption by Landau damping. The objective of this Master's thesis is to experimentally characterize the effect of collisionless processes associated with the presence of resonance phenomena on the electron energy distribution function (EEDF). The study was carried out by trace-rare-gases optical emission spectroscopy (TRG-OES) in various plasmas capable of exhibiting resonance phenomena. For low-pressure tubular plasmas (< 50 mTorr) produced by an electromagnetic surface wave at 600 MHz, EEDF is characterized by two temperatures: TeAldescribes the mean energy and TeTail represents the high-energy tail of the distribution. A parametrical study of these temperatures as a function of the axial distance and the gas pressure revealed that the ratio TeTail / TeAlincreases with the characteristic length of the electron density gradient L. Similar measurements and analyses were also performed in a magnetized microwave plasma source sustained at the electron cyclotron resonance. In such conditions, the production of suprathermal electrons results not only from the resonance phenomena and wave-particle interactions mentioned above but also from the electron cyclotron resonance