Etude expérimentale de la source filaire basse pression

 Dispositif expérimental

Configuration de décharge filaire retenue Le dispositif expérimental utilisé afin d’étudier la décharge filaire en régime continu bas courant et basse pression est présenté figure 3.1. Il s’agit d’une configuration `a un seul fil placé sur l’axe d’une cavité cylindrique, sans champ magnétique externe. L’anode est un fil de tungst`ene de rayon Ra = 100 µm. La cathode, de rayon Rc = 2.5 cm, est chemisée au moyen d’une feuille en acier inoxydable sur l’intégralité de sa surface intérieure de sorte de minimiser les modifications de l’état de surface dues `a l’oxydation. On place `a chaque extrémité du cylindre une grille circulaire de rayon lég`erement supérieur `a Rc, reliée comme la cathode `a la masse du circuit. Ces grilles sont percées en leur centre (Rend = 3 mm) afin de permettre le passage du fil, et distantes l’une Fenêtre bout Fenêtre latérale Fixation fil HT Ressort tension fil Figure 3.1: Schéma de la configuration filaire retenue. Ra = 0.1 mm, Rc = 2.5 cm, L = 20 cm, Rend = 3 mm, ld = 6 mm. 3.1 Dispositif experimental ´ 39 de l’autre de L = 20 cm. Apr`es ˆetre passé au travers des grilles, le fil est maintenu `a chaque extrémité du cylindre au moyen de ressorts assurant une tension satisfaisante du fil. Des plaques de fixation, mécaniquement fixées sur la cathode via des colonnes en céramique isolante (Macor R ), supportent l’ensemble fil-ressorts. Cette configuration, utilisée depuis de longues années au sein de canons `a électrons `a émission secondaire, a démontré sa capacité `a fonctionner convenablement dans les conditions envisagées. Afin de pouvoir contrˆoler visuellement l’étendue spatiale de la décharge, la cathode est percée de sorte de placer deux fenˆetres. La premi`ere fenˆetre est positionnée `a une extrémité du cylindre, permettant ainsi un contrˆole de l’extension radiale de la décharge `a travers la grille. Une seconde fenˆetre est placée sur la longueur de la décharge, autorisant une mesure de l’extension longitudinale de la décharge. Cette fenˆetre latérale ne peut néanmoins pas ˆetre de taille trop importante sans quoi la surface de la cathode serait modifiée, et donc le fonctionnement de la décharge également. On se limite donc `a une ouverture de ld = 6 mm de coté, ce qui représente un peu moins de 4% de la surface intérieure du cylindre. 

Montage expérimental

Afin de minimiser les pertes de charge, la source filaire est montée directement sur un combiné « pompe primaire s`eche – pompe turbo-moléculaire » Pfeiffer HiCube (figure 3.2). Le pompage est réalisé au travers de l’extrémité de la source filaire opposée `a la fenˆetre. Une telle configuration permet d’atteindre un vide limite de 6×10−7 mbar dans l’hélium. L’admission de gaz (He, Ne, Ar, Xe, Air) au sein de la cavité est contrˆolée `a l’aide d’une vanne. La pression au sein de la source filaire est mesurée au moyen de trois jauges distinctes. Une jauge Pirani (p ≥ 10−2 mbar) autorise un contrˆole de la descente en pression. Une jauge capacitive MKS Baratron 1 Torr pleine échelle permet une mesure différentielle de la pression p pour des pressions comprises entre 10−4 mbar et 1 mbar, et ce indépendamment du gaz utilisé . Pour des pressions inférieures, une jauge `a filament type Bayard et Alpert est utilisée. Ce type de jauge repose sur la mesure d’un courant dans une chambre d’ionisation. Par conséquent, les valeurs mesurées nécessitent d’ˆetre corrigées en fonction du gaz présent dans la source. Les facteurs correctifs disponibles n’étant malheureusement qu’une linéarisation du comportement réel sur la plage de pression de la jauge (10−3 − 10−11 mbar), l’incertitude concernant les pressions mesurées `a l’aide de la jauge `a filament est relativement importante (±15%). Deux alimentations continues stabilisées Heinzinger LNC 2 mA-10 kV et 20 mA1.2 kV sont utilisées selon les conditions. L’alimentation 2 mA-10 kV permet une étude de la décharge `a plus basse pression (i. e. plus haute tension) mais pour un courant de décharge limité `a 2 mA, tandis que l’alimentation 20 mA-1.2 kV autorise une plage de courant plus large d`es lors que la tension de décharge Vd est inférieure `a 1.2 kV. Une résistance de ballast placée en série permet au besoin de stabiliser la décharge. Cette résistance varie selon les conditions entre 0 Ω (i. e. pas de résistance de ballast) et 47 kΩ. La tension de décharge Vd est mesurée au moyen d’une sonde haute tension Tektronix P6015A. La composante basse fréquence du courant de décharge Is est mesurée `a l’aide d’une sonde `a effet Hall, tandis que l’absence de composante haute fréquence est contrˆolée grˆace `a une sonde Rogowski. L’ensemble de ces signaux est affiché sur un 40 Etude exp érimentale de la source filaire en r égime continu ´ oscilloscope Lecroy 100 MHz. Une photodiode positionnée en regard de la fenˆetre placée `a l’extrémité de la source est utilisée afin de mettre en évidence l’existence d’éventuels régimes de décharge pulsés. Par ailleurs, des moyens d’imagerie (caméra intensifiée, appareil photo) permettent de caractériser l’étendue spatiale de la décharge au travers des deux fenˆetres. Enfin, une fibre optique insérée au travers de la cathode permet au moyen d’un spectrom`etre compact BWTek BTC 112 de réaliser des mesures spectrométriques intégrées en temps et en espace.  

Comportement caractéristique 

Modes de décharge

L’opération de la source filaire dans l’hélium sans résistance de ballast met en évidence l’existence de deux modes stables de décharge distincts. Pour un courant de décharge Is = 1 mA et une pression inférieure `a 2.1×10−2 mbar, la décharge est limitée radialement `a un cylindre de quelques millim`etres autour de l’anode (figure 3.3(b)). En revanche, la décharge est homog`ene dans la direction du fil jusqu’`a environ un centim`etre des grilles de bout. Ce mode de décharge est appelé mode contracté du fait de son extension radiale limitée. Lorsque l’on augmente le courant pour une mˆeme pression ou bien diminue la pression pour ce mˆeme courant de 1 mA, la structure de la décharge reste inchangée, mais le fil devient incandescent sur une longueur similaire `a celle de la décharge. A l’inverse, une augmentation de la pression au del`a de 2.1 × 10−2 mbar se traduit par un changement soudain de l’étendue spatiale de la décharge accompagné d’une Vue de la décharge à travers la fenêtre latérale (a) (b) (c) (d) (e) Figure 3.3: Etendue spatiale et profil longitudinal d’émission sur l’axe de la d´ écharge vue au travers de la fenˆetre latérale – (b) : Mode contracté p = 1.10−2 mbar, Is = 1 mA – (c),(d),(e) Croissance longitudinale du mode diffus (p = 2.8.10−2 mbar) avec le courant de décharge Is = 1, 1.5 et 2 mA.  chute de la tension de décharge de l’ordre d’une centaine de Volts. Pour ce mˆeme courant Is de 1 mA, la décharge est alors limitée axialement `a une « tranche » de quelques centim`etres d’épaisseur, tandis que l’extension radiale augmente significativement (figure 3.3(c)). Ce mode de décharge est alors appelé mode diffus de par son extension radiale comparativement au mode contracté. Une augmentation de courant pour une mˆeme pression conduit `a une croissance axiale de la décharge sans modification de l’extension radiale (figures 3.3(d) et 3.3(e)). L’évolution de la tension de décharge Vd en fonction de la pression p pour un courant de décharge Is = 1 mA est donnée figure 3.4. La diminution brutale de la tension de décharge (∼ 60 V) observée lors du passage du mode contracté au mode diffus se traduit ici par une discontinuité de la courbe pour une pression égale `a la pression de transition. Une lég`ere hystérésis est observée lors de la transition de mode : la pression de transition pour un courant de décharge Is donné est lég`erement supérieure (resp. inférieure) lorsque la transition de mode est obtenue par une augmentation (resp. diminution) de la pression. A plus basse pression, on observe une divergence de la tension de décharge avec la pression. Cette forte croissance de la tension de décharge se traduit par un échauffement important du fil.