Academic literature on the topic 'Résonance cyclotronique électronique (ECR)'

Cette these presente deux approches de caracterisation de la population electronique d'un plasma de source d'ions a resonance cyclotronique electronique. Des mesures effectuees sur une source dediee a l'etude du plasma ont permis de determiner la densite electronique, le potentiel plasma et le contenu energetique. L'ensemble de ces mesures a montre que la population electronique n'est pas une maxwellienne. Les collisions ne sont pas suffisantes pour thermaliser les electrons chauffes par l'onde h. F. . Il apparait donc une queue d'electrons tres energetiques dans la fonction de distribution electronique. Ces electrons energetiques dont le temps de vie est important sont responsables des bonnes performances et des hauts etats de charge obtenus dans ces sources d'ions a resonance cyclotronique electronique. La distribution des electrons peut egalement etre determinee a partir d'une approche theorique. Cette these developpe la mise en equation des phenomenes physiques qui regissent l'evolution de la population electronique : les collisions colombiennes entre particules, l'interaction des electrons avec l'onde h. F. Et l'ionisation des ions et atomes du plasma. L'equation etablie a ensuite ete traitee de facon numerique en effectuant un certain nombre d'hypotheses. Les resultats obtenus avec ces codes de calcul ont mise en evidence des phenomenes de saturation qui peuvent expliquer les limitations rencontrees par les sources d'ions actuelles. Ces resultats sont en accord avec les resultats experimentaux. Cette these a donc permis de confirmer le fait que la distribution en vitesse des electrons n'est pas une maxwellienne. Le code de calcul permet d'avoir la distribution des electrons en fonction de parametres d'entre lies a la geometrie de la source et aux reglages de fonctionnement. Pour la premiere fois, la densite electronique d'un plasma de source d'ions a resonance cyclotronique electronique a ete obtenue a la fois experimentalement et theoriquement.

La première partie est consacrée à la caractérisation de la source d’ions ECR SIMPA. En analysant les spectres Bremsstrahlung du plasma, nous avons déterminé la température et la densité électronique et la densité ionique. Nous avons également enregistré des spectres haute résolution des plasmas d’argon et de krypton pour déterminer la densité ionique des états de charges. La seconde partie est consacrée à la collision des ions de Ne9+ avec des agrégats d’argon. Nous avons effectué une application théorique pour une collision d’un ion Ne9+ avec un agrégat d’argon, pour connaître les niveaux énergétiques peuplés lors de la capture électronique et suivre l’évolution du nombre d’électrons dans les couches du projectile. Enfin, nous avons présenté les résultats de collisions entre un faisceau d’ion Ne9+ et des agrégats d’argon, mettant en évidence une forte agrégation des cibles et une multi-capture faite par les ions.

Ces travaux concernent le dépôt assisté par plasma de couches minces homogènes de carbone amorphe hydrogéné (a-C:H) et de couches minces hétérogènes composées de nanoparticules formées dans le volume du plasma encapsulées dans une matrice de a-C:H en plasma microonde multipolaire excité à la resonance cyclotronique électronique répartie. Le but de cette thèse est de comprendre l'influence de différents paramètres du procédé, tels que la température du substrat, la puissance microonde et le temps de résidence du gaz, sur les processus d'interaction plasma-surfaces et la transition vers le plasma poudreux. En effet, après un régime transitoire lié aux premières étapes de croissance (croissance par îlot, hydrogénation), le procédé de dépôt se déroule selon une compétition entre le dépôt des espèces hydrocarbonées et la gravure du matériaux par l'hydrogène présent dans la décharge. Cette érosion forme des espèces volatiles qui peuvent à leur tour participer au procédé de dépôt et, selon leur densité et leur structure (par exemple C2H2), permettre la transition vers un plasma poudreux. Contrairement à la température des parois (de -25 à 150°C) et à la puissance microonde (dans la gamme 100-800 W) qui ne permettent pas de former en quantité suffisante des espèces volatiles, le temps de résidence permet de former un plasma poudreux : cette transition est obtenue en augmentant la probabilité d'interaction de l'hydrogène avec les parois du réacteur. L'étude repose sur des analyses électriques et optiques du plasma (sonde de Langmuir, spectroscopie infra-rouge et ellipsométrie spectroscopique) et des analyses ex-situ des couches minces obtenues (microscopie, spectroscopies, etc. . . )<br>This work deals deposition of thin films in a multipolar microwave plasma excited at distributed electron cyclotron resonance. We focused on the deposition of homogeneous films based on hydrogenated amorphous carbon or heterogeneous structure based on carbon nanoparticles formed in the plasma volume and embedded in the matrix under growth. The aim of this PhD work is to highlight the influence of different process parameters such as substrate temperature, microwave power and gas residence time on plasma-surface interactions mechanisms as well as the transition to a dusty plasma. Indeed, the transient regime linked to the first growth steps (3D growth, hydrogenation) is followed by a permanent regime controlled by the competition between the hydrocarbon species deposition and the surface erosion from hydrogen formed in the discharge. This erosion forms volatiles species that can take place in the plasma deposition process and, depending on their density and structure (for example C2H2), lead to the transition toward a dusty plasma. In contrast with walls temperature (from -25 to 150°C) and the microwave power (in the range 100-800W) that do not lead a sufficient density of volatiles species, the residence time lead to the formation of a dusty plasma: this transition is obtained when increasing the hydrogen interaction probability with the reactor walls. This study is based on electrical and optical diagnoses of the discharge (Langmuir probe, infra-red and ellipsometric spectroscopies) and on ex-situ analyses of deposited thin films (microscopies, spectroscopies, etc. . . )

Cette thèse porte sur l'étude expérimentale de la production d’ions négatifs (H-) par des sources multi-dipolaires microondes (2.45 GHz) fonctionnant à la Résonance Cyclotron des Electrons (RCE). Les sources H- sont nécessaires aux accélérateurs de haute énergie et surtout pour les systèmes d’injection de neutres à haute énergie pour le chauffage des plasmas de fusion. Pour cette étude, deux sources (Prometheus I et ROSAE III) ont été conçues, fabriquées et étudiées. Ces deux sources sont munies de réseaux 2D des sources multi-dipolaires. Il est prouvé que la formation des ions négatifs dans ces sources d'ions, est dû à un mécanisme de production en volume : l'attachement dissociatif des électrons de faible énergie sur des molécules ro-vibrationallement excitées. Contrairement aux sources impliquant des réactions de surface, la production en volume a l’avantage de fonctionner sans césium. Une étude détaillée des principes fondamentaux de la production de H- est réalisée, et les voies possibles pour d'optimisation sont explorées au moyen de : sondes électrostatiques, photodetachment laser, spectroscopie d'émission optique dans la région spectrale du visible et de l'ultraviolet du vide et finalement par spectroscopie d'absorption et de fluorescence induite dans la région spectral de l'ultraviolet du vide en utilisant radiation synchrotron dans un montage expérimental spécial (SCHEME). Analytiquement:La source "Prometheus I" est d'abord étudiée en détails, dans une large gamme de conditions expérimentales (par exemple, pression, puissance, position des zones RCE). Cette étude souligne l’efficacité de production des ions H- en volume, et dévoile une fenêtre de fonctionnement optimal et des voies d'optimisation pour atteindre de plus fortes densités d'ions H-. La contribution du processus d'attachement dissociatif et de l'ionisation résonnante des neutres, à la production H- pour cette source ont été évaluée et la prépondérance de la première finalement confirmée par un modèle rendant compte du bilan des créations et pertes d’espèces.En raison de l'importance des molécules ro-vibrationnallement excitées lors du processus d'attachement dissociatif, l'étude se concentre sur leurs réactions de formation. Deux réactions de formation sont étudiées par des expériences dédiées : la désorption recombinative des atomes d'hydrogène à la surface de divers matériaux ("ROSAE III" et "SCHEME") et l'excitation par impact d'électrons à travers les états singulets temporaires ("Prometheus I"). L'étude de la désorption recombinative a été appréhendée de deux façons différentes. Avec la source ROSAE III, l'impact indirect du processus pour la production d'ions négatifs, à travers la formation de molécules ro-vibrationnellement excitées, a été évaluée dans les plasmas RCE. Dans la deuxième approche, la source "SCHEME" a été conçue pour l'étude de la désorption recombinative des atomes en utilisant le rayonnement synchrotron. La formation des états vibrationnels suite à l’excitation des états singulets, dans la source "Prometheus I" a été étudiée par des mesures d'émission de l'ultraviolet du vide.Une étude qui combine la spectroscopie d'émission de l'ultraviolet du vide, le photodétachement et la caractérisation de la cinétique des électrons par sondes électrostatiques, a permis l'identification des facteurs qui limitent la production d'ions négatifs dans le plasma RCE de "Prometheus I". Des perspectives pour surmonter ces limitations sont finalement proposées<br>The present PhD thesis is devoted to the experimental study of hydrogen negative ion (H-) production in microwave-driven (2.45 GHz) multi-dipolar Electron Cyclotron Resonance (ECR) plasma sources. H- sources are required in high-energy accelerators and more importantly in neutral beam injection systems for fusion plasma heating. Towards this directions, two sources (namely, "Prometheus I" and "ROSAE III") are designed, fabricated and studied. Both sources are driven by 2D networks of dipolar ECR elementary sources. It is proven that, negative ion formation in these ion sources is governed by the volume production mechanism, which mostly refers to the dissociative attachment of low energy electrons to vibrationally excited molecules. Contrary to the so called surface sources, volume production sources have the advantage of cesium-free operation. Extended experimental study on fundamental principles of H- production is realized, and possible ways for potential source optimization are tested by means of: electrostatic probes, laser photodetachment, optical emission spectroscopy, both in the visible and vacuum ultra-violet spectral range and finally, vacuum-ultraviolet absorption and induced fluorescence spectroscopy using synchrotron radiation in a specially designed setup ("SCHEME"). Analytically:The source "Prometheus I" is initially studied in detail (EEDF, H- density, optical emission spectra etc), under a wide range of experimental conditions (e.g., pressure, power, ECR-zone location), proving its efficiency for H- volume production, and unveiling optimum operational window and paths for obtaining higher H- densities. The contribution of the dissociative attachment process and neutral resonant ionization to H- production in this source, is evaluated, and the dominance of the former is finally confirmed by an equilibrium model.Due to the importance of the ro-vibrationally excited molecules to the dissociative attachment process, the study is focused on their formation reactions. Two formation reactions are considered by adequately adapted experiments: the recombinative desorption of hydrogen atoms on the surface of various materials (ROSAE III and SCHEME) and the electron impact excitation through temporary singlet states (Prometheus I). The study of recombinative desorption is approached in two different ways. With the source ROSAE III, the indirect impact of the process to the production of negative ions, through the formation of ro-vibrationally excited molecules, is evaluated in ECR plasmas. In the second approach, the source SCHEME is designed for the independent investigation of the recombinative desorption of unexcited atoms using synchrotron radiation based diagnostics. The formation of vibrational states through singlet excitation in the source "Prometheus I" is studied by vacuum-ultraviolet emission measurements.A study that combined vacuum-ultraviolet emission spectroscopy, photodetachment and the characterization of electron kinetics with electrostatic probes, allowed the identification of the factors that limit negative ion production in the ECR plasma of "Prometheus I". Perspectives for overcoming these limitations are finally proposed

Dans le cadre du projet SPIRAL2, la source d'ions à la résonance cyclotronique électronique (RCE) PHOENIX V3 (amélioration par rapport à la précédente version PHOENIX V2) a été développée afin d'augmenter la production d'ions avec un A/Q=3. La source vise principalement la production d'ions métalliques. Pour cela, des atomes métalliques sont sublimés dans un four avant d'être injectés dans la source d'ions. Lors de la production de tels faisceaux d'ions, la grande majorité des atomes se fixe au niveau de la paroi de la chambre à plasma et y reste. Ces pertes mènent à une faible efficacité globale d'ionisation (de l'ordre de la dizaine de pour cent).Un code hybride PIC (Particle In Cells) a été développé pour étudier la dynamique des particules chargées et reproduire les spectres d'ions en A/Q expérimentaux produits par la source d'ions PHOENIX V3. La simulation se concentre sur la propagation des ions en trois dimensions. A l'aide de plusieurs paramètres ajustables, la simulation reproduit la distribution des états de charges à la sortie de la source d'ions. Ce code a fourni des résultats encourageants.En parallèle de l'étude par simulation de la dynamique des particules dans le plasma, un ensemble de simulations reproduisant le fonctionnement du four pour atomes métalliques a été conçu. Les simulations permettent également l'analyse de la distribution angulaire des impulsions des particules quittant le creuset du four. Les distributions angulaires fournies par les simulations sont comparées à celles obtenues grâce à des mesures expérimentales.Une étude expérimentale a également été initiée afin de réduire le temps de collage des atomes métalliques injectés sur la chambre à plasma. Pour cela, un cylindre thermorégulé a été réalisé afin de favoriser la réévaporation des particules fixées. Il est ainsi possible d'augmenter l'efficacité globale d'ionisation d'au moins un facteur 2 et de mesurer l'augmentation de l'efficacité en fonction de la température de la paroi<br>In the framwork of the SPIRAL2 project, the Electron Cyclotron Resonance Ion Source PHOENIX V3 (upgrade of the previous source PHOENIX V2) has been developed to improve the production of highly charged ions with A/Q=3. The ion source mainly aims at the production of metal ion beams. For this, condensable atoms are sublimated into oven before being injected into the ion source. During the production of such ion beams, the major part of atoms travel towards the plasma chamber wall and remains there. Those losses lead to low global ionization efficiency (of the order of ten percent).An hybrid code PIC (Particle In Cells) was developed to study the dynamic of charged particles and to reproduce the experimental A/Q spectrum produced by the PHOENIX V3 ion source. The simulation focuses on the propagation of ions in 3D. Using several adjustable parameters, the simulation outcomes fit the charge state distribution at the exit of the ion source. This code has provided encouraging results.In parallel with the simulation study of particle dynamic in the plasma, a series of simulations have been run to reproduce the operation of an oven leading to the emission of metallic atoms. The outcomes of the simulations allow analysis of the angular distribution of the particles leaving the hot crucible. The angular distributions provided by the simulations are compared with those obtained through experimental measurements.An experimental study was also initiated to reduce the sticking time of the metal atoms on the plasma chamber. For this, a thermoregulated cylinder has been designed and realised to promote the re-evaporation of fixed paricles. It is thus possible to increase the global ionization efficiency by a factor 2 at least and to study the variation of the efficiency as a fonction of the cylinder temperature

Les couches minces à base de nitrure de silicium (SiNx) ont été reconnus comme des diélectriques essentiels dans l'industrie microélectronique et optoélectronique en raison de leurs propriétés intéressantes. Dans cette thèse, nous décrivons comment contrôler l'indice optique et les propriétés mécaniques des couches de SiNx et d'oxynitrure de silicium (SiOyNx) en ajustant les paramètres du processus de dépôt. Nous utilisons deux types de réacteurs de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma : un réacteur standard à couplage capacitif avec excitation radiofréquence et un réacteur à résonance cyclotron électronique avec excitation micro-onde. Nous discutons de la fabrication et de la caractérisation des structures multicouches comme application optique de nos couches minces. Nous focalisons sur la caractérisation et la compréhension des propriétés optiques de ces couches minces grâce à l’ellipsométrie spectroscopique. Nous étudions également expérimentalement leurs propriétés mécaniques en utilisant la technique de mesure de la courbure des substrats, la fabrication de microstructures et les mesures de nanoindentation. Enfin, nous montrons des mesures précises de la distribution des contraintes induites dans le GaAs lorsque de tels couches minces sont structurés sous forme de rubans allongées de largeur variable, en utilisant la lithographie optique et la gravure au plasma. Pour cela, nous cartographions la déformation anisotrope, en mesurant le degré de polarisation de la photoluminescence (PL) à intégration spectrale générée au sein du GaAs par excitation avec un laser rouge. La PL des semi-conducteurs cubiques massifs tels que le GaAs n'est pas polarisé, tandis que sous une contrainte anisotrope un certain degré de polarisation est produit. Ces cartographies ont été mesurées soit à partir de la surface du semi-conducteur, soit à partir de sections transversales clivées. Ils fournissent une image détaillée et complète de la déformation cristalline au voisinage de la couche contrainte structurée. Ensuite, nous avons effectué des simulations par éléments finis en essayant de reproduire les cartographies expérimentales. Nous pensons que notre schéma de simulation est utile pour la conception des composants photoniques, par exemple pour prédire les changements locaux de l'indice de réfraction dus à l'effet photoélastique<br>Due to their attractive properties, silicon nitride (SiNx) based films have been recognized as essential dielectric films in the microelectronic and optoelectronic industries. In this PhD thesis, we describe how we can control the refractive index and the mechanical properties of SiNx and silicon oxynitride (SiOyNx) films by tuning the deposition process parameters. We use two different plasma-enhanced chemical vapor deposition reactors: a standard capacitively coupled reactor with radiofrequency excitation and an electron cyclotron resonance reactor with microwave excitation. We discuss the fabrication and characterization of multilayer structures as an optical application of our thin films. We focus on characterizing and understanding these thin films’ optical properties through spectroscopic ellipsometry. We also study their mechanical properties experimentally using the wafer curvature measurement technique, microstructure fabrication, and nanoindentation measurements. Finally, we show accurate measurements of the strain distribution induced within GaAs wafers when such thin films are structured in the shape of elongated stripes of variable width, using standard optical lithography and plasma etching. For this, we map the anisotropic deformation, measuring the degree of polarization of the spectrally integrated photoluminescence (PL) generated within GaAs by excitation with a red laser. PL from bulk cubic semiconductors such as GaAs is unpolarized, whereas anisotropic strain produces some degree of polarization. These maps were measured either from the semiconductor surface or from cleaved cross-sections. They provide a detailed and complete image of the crystal deformation in the vicinity of the structured stressor film. Then, we performed some finite element simulations trying to reproduce the experimental maps. We believe our simulation scheme is helpful for designing the photonic components, e.g., to predict the local changes in the refractive index due to the photoelastic effect

Nous avons developpe et etudie une nouvelle source de rayons x (dans la gamme 10-100 kev) en utilisant un plasma a la resonance cyclotronique des electrons. Le dispositif experimental a ete concu et ameliore afin d'obtenir une source a la fois compacte, stable et plus intense. Pour etudier le transfert d'energie de l'onde incidente aux electrons, nous avons d'abord calcule numeriquement la trajectoire des particules dans un champ magnetique homogene et obtenu la dependance de l'energie maximale de l'electron en fonction du champ electrique de l'onde. De plus, nous avons considere un processus de conversion de mode de l'onde electromagnetique incidente en onde de bernstein. Plusieurs etudes experimentales ont ete realisees sur le plasma de la source. Un anneau d'electrons energetiques, dans le plan median du miroir magnetique, a ete mis en evidence avec une camera stenope. Les populations ionique et atomique ont ete etudiees par spectroscopie dans le visible ; la densite et la temperature des zones externes du plasma ont ete estimees par sonde de langmuir. Les electrons energetiques, qui nous interessent particulierement pour produire des rayons x medicaux, ont ete caracterises par un diagnostic fonde sur l'analyse des spectres de bremsstrahlung. Nous avons montre l'influence des parametres de fonctionnement de la source (pression, puissance micro-onde, configuration magnetique) sur l'energie et sur l'intensite du rayonnement x produit par le plasma. Ensuite, pour augmenter l'intensite du rayonnement x, une cible a ete interposee de maniere judicieuse dans l'anneau d'electrons energetiques. Les resultats (dosimetrie, analyse des spectres en energie, etude de la taille du foyer) ont ete discutes du point de vue des applications medicales en radiologie et mammographie. Nous avons realise plusieurs types de radiographie.

Le travail que je décris ici fut effectué à ISOLDE, au CERN. Il vise à établir un rapport objectif des performances actuelles des sources d'ions à Résonance Electronique Cyclotronique (ECR) utilisées en tant qu'élévateurs d'état de charge, à la fois avec des faisceaux d'ions stables et radioactifs. Au préalable, j'ai entrepris quelques développements techniques pour améliorer le dispositif et conduire les tests dans des conditions optimales. Ce rapport détaille la majeure partie de ces développements qui concerne la pureté du faisceau. Puis, j'ai achevé le programme de mesure des efficacités d'élévation d'état de charge pour divers isotopes avec des modes de fonctionnement différents. J'ai analysé les résultats de ces expériences et les ai comparés aux performances actuelles des autres méthodes d'élévation d'état de charge. Finalement, je présente les conclusions que l'on peut tirer de cette étude concernant les choix à effectuer pour les futurs post-accélérateurs dans les installations de type ISOL. La discussion s'étend aux applications immédiates, pour les expériences de physique, des faisceaux radioactifs d'ions épluchés par ECR<br>The work described here was performed at ISOLDE, CERN. It aimed at giving an objective report of the current performances of Electron Cyclotron Resonance (ECR) ion sources used as charge breeders, with both stable and radioactive ion beams. As a prerequisite, some technical developments were undertaken during the PhD thesis to improve the setup and to lead the tests with optimal conditions. A major part of these developments concerns beam purity, and is detailed in this thesis. Then, measurements of the charge breeding efficiencies of various isotopes were completed with different charge breeding modes. Results of these experiments are analyzed and compared to the current performances of other types of charge breeding methods. At the end, some conclusions are drawn from this investigation in perspective of the choices to make for future ISOL postaccelerators. The discussion is extended to the immediate application of ECR charge bred radioactive ion beams to physics experiments

Dans cette etude, nous avons utilise un plasma multipolaire microonde pour deposer l'oxyde de silicium a partir du melange sih#4/o#2 a basse temperature (< 400c) ; le plasma est genere par resonance cyclotronique electronique repartie (rcer) a basse pression (< 10 mtorr). Nous avons etudie l'influence des parametres du procede, tels que les debits des gaz, la puissance microonde, l'energie des ions, la temperature,. . . , sur les proprietes physico-chimiques et electriques de ces oxydes. Il a ete ainsi possible de determiner les conditions d'obtention de couches presentant des caracteristiques proches de celles de la silice thermique. Le plasma rcer permet de dissocier la polarisation du substrat de la creation du plasma, et donc de controler independamment l'energie des ions. La planarisation des oxydes deposes par rcer resulte d'une competition entre le depot et la gravure par pulverisation. Dans un premier temps, nous avons etudie l'evolution topologique d'une surface lors de la gravure par pulverisation. Dans le cas du depot aplanissant, les effets topologiques observes indiquent une tres forte influence de la gravure par pulverisation. La reduction de dimensions des dispositifs entraine une augmentation du rapport de forme (hauteur/largeur) des tranchees que les procedes cvd ne peuvent remplir sans formation de cavite. Ici encore, en maitrisant la competition entre le depot et la gravure par pulverisation, nous avons considerablement deplace la limite de formation de cavite (rapport de forme > 2). Les resultats developpes dans ce memoire confirment le potentiel technologique de ce procede pour les nouvelles generations de composants de tres faible dimension.