Rev. Phys. Appl. (Paris) 15, 1383-1397 (1980)
DOI: 10.1051/rphysap:019800015080138300

Distribution radiale de la densité électronique et de la densité des atomes excités dans une colonne de plasma produite par une onde de surface

M. Moisan, R. Pantel, A. Ricard, V.M.M. Glaude, P. Leprince et W.P. Allis

Département de Physique, Université de Montréal, C.P. 6128, succursale A, Montréal, Québec H3C 3J7, Canada

Abstract
We have observed the radial density distribution of excited atoms in an argon plasma produced by a surface wave. The measurements are made by recording both emission and absorption at a given wavelength, as a function of radius. Depending on the neutral gas pressure (between 50 and 350 mtorr) and on the surface wave frequency, the radial distribution is either flat or has a minimum on the axis and a maximum near the tube wall. This behaviour is explained theoretically for radiative levels by showing that their population density should be proportional to n(r) E2(r) where r is the radius, n(r) is the electron density and E2 (r) is the electric field strength of the surface wave. The same radial dependence occurs theoretically and experimentally for the density of a metastable level, provided its destruction mainly results from collisions with neutral atoms. The radial distribution of the electrons is known only through a calculation assuming ambipolar diffusion. With this assumption, the radial distribution of electrons can be well approximated by a J 0 Bessel function, though the electron production varies radially with the electric field intensity.

Résumé
On détermine expérimentalement la distribution radiale de la densité des atomes excités dans une colonne de plasma d'argon produite par une onde de surface. Ces mesures sont réalisées en enregistrant directement par prospection radiale, soit l'émission des atomes excités, soit l'absorption que ces atomes produisent sur un rayonnement incident de référence. Suivant la pression du gaz (entre 50 et 350 mtorr) et la fréquence de l'onde de surface, les distributions radiales observées présentent une forme presque plate ou, au contraire, montrent un creux plus ou moins profond sur l'axe avec un maximum relatif situé au voisinage de la paroi. On explique ce comportement pour un niveau radiatif en montrant théoriquement que sa densité doit être proportionnelle à n(r) E2(r) où r est la position radiale, n(r), la densité électronique et E2(r), l'intensité du champ électrique de l'onde de surface. La même dépendance apparaît théoriquement et expérimentalement pour la densité d'un niveau métastable, lorsque la destruction de ce niveau est principalement assurée par collisions avec des atomes neutres. La distribution radiale des électrons n'est pas mesurée mais calculée. Bien que la production des électrons dépende localement de la forme du champ électrique de l'onde de surface, dans la mesure où la diffusion ambipolaire est le principal mécanisme de pertes des particules chargées, la distribution radiale des électrons s'écarte assez peu d'une fonction de Bessel J0.

PACS
5220H - Atomic, molecular, ion and heavy particle collisions in plasma.
5225P - Emission, absorption, and scattering of radiation in plasma.
5235 - Waves, oscillations, and instabilities in plasma.

Key words
atomic metastable states -- electron density -- plasma collision processes -- plasma waves -- excited atoms -- radial density distribution -- emission -- absorption -- neutral gas pressure -- surface wave frequency -- tube wall -- radiative levels -- population density -- electric field strength -- metastable level -- ambipolar diffusion -- Bessel function -- electric field intensity -- Ar plasma column -- neutral atom collision