Étude d'une source d'ions obtenue par extraction et accélération à partir d'une source plasma filaire

Characterization of an ion beam produced by extraction and acceleration of ions from a wire plasma source

• Auteur / Autrice : Renaud Gueroult
• Direction : Jean-Marcel Rax
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Palaiseau, Ecole polytechnique

Mots clés

Mots clés contrôlés

Particules (physique)

Mots clés libres

Plasma basse-pression

Source d'ions

Faisceau de particules chargées

Résumé

L'objet de ce travail consiste dans un premier temps en la modélisation d'une source plasma filaire en régime continu basse pression, puis, dans un second temps, en la caractérisation des propriétés d'une source d'ions développée sur la base de la source plasma préalablement étudiée. Un code particulaire permettant de modéliser le fonctionnement de la source plasma est ainsi développé, puis validé par comparaison avec les résultats d'une étude expérimentale. A la lueur des résultats de simulation, une analyse de la décharge en termes d'écoulement ionique de Child-Langmuir collisionnel en géométrie cylindrique est proposée, permettant alors d'interpréter la transition de mode comme une réorganisation naturelle de la décharge lorsque le courant de décharge excède un courant limite fonction de la tension de décharge, de la pression et de l'espace inter-électrodes. L'analyse de la fonction de distribution en énergie des ions impactant la cathode met par ailleurs en évidence la possibilité d'extraire un faisceau d'ions de faible dispersion en énergie autour de la tension de décharge, et ce sous réserve d'opérer la décharge dans son mode haute pression. Un prototype de source d'ions permettant l'extraction et l'accélération d'ions à partir de la source filaire est alors proposé. L'étude expérimentale d'un tel dispositif confirme le fait que l'adjonction d'un processus d'accélération se traduit par un simple décalage de la fonction de distribution en vitesse des ions d'une valeur correspondant à la tension d'accélération, mais ne l'élargit pas. Il est ainsi possible de produire des faisceaux d'ions de diverses espèces ioniques, d'énergie modulable (0-5 keV) et de dispersion en énergie limitée (~ 10 eV). Les courants de faisceau mesurés sont de quelques dizaines de micro-ampères, et la divergence d'un tel faisceau est de l'ordre du degré. Une modélisation numérique de cette source d'ions est finalement entreprise afin d'identifier de possibles optimisations du concept proposé

In this study we first model a DC low pressure wire plasma source and then characterize the properties of an ion gun derived from the plasma source. In order to study the properties of the derived ion gun, we develop a particle-in-cell code fitted to the modelling of the wire plasma source operation, and validate it by confrontation with the results of an experimental study. In light of the simulation results, an analysis of the wire discharge in terms of a collisional Child-Langmuir ion flow in cylindrical geometry is proposed. We interpret the mode transition as a natural reorganisation of the discharge when the current is increased above a threshold value which is a function of the discharge voltage, the pressure and the inter-electrodes distance. In addition, the analysis of the energy distribution function of ions impacting the cathode demonstrates the ability to extract an ion beam of low energy spread around the discharge voltage assuming that the discharge is operated in its high pressure mode. An ion source prototype allowing the extraction and acceleration of ions from the wire source is then proposed. The experimental study of such a device confirms that, apart from a shift corresponding to the accelerating voltage, the acceleration scheme does not spread the ion velocity distribution function along the axis of the beam. It is therefore possible to produce tunable energy (0-5 keV) ion beams of various ionic species presenting limited energy dispersion (~ 10 eV). The typical beam currents are about a few tens of micro-amperes, and the divergence of such a beam is on the order of one degree. A numerical modelling of the ion source is eventually conducted in order to identify potential optimizations of the concept