Recent developments in DECR plasmas

Abstract
In distributed electron cyclotron resonance (DECR) plasma sources, the acceleration of electrons is produced by microwave electric fields, applied and distributed close to a multipolar magnetic field structure, providing along the magnets the condition for electron cyclotron resonance. In such a magnetic field configuration, the ensuing fast electrons, responsible for plasma excitation, undergo a drift motion perpendicular to the magnetic field. Thus, loss of fast electrons at the extremities of the magnets is avoided by closing the magnetic structures onto themselves according to magnetron-like configurations. The performances of a cylindrical reactor surrounded by eight magnetic racetracks are then studied as a function of microwave power and excitation frequency. With argon, the ion density increases linearly with microwave input power, but saturates when it reaches a value near the critical density. This behavior is observed at the three microwave frequencies investigated, i.e. 960 MHz, 2.45 GHz and 5.85 GHz. As expected, the saturation ion density varies according to the square of the excitation frequency, and the microwave input power required to reach the saturation is proportional to the critical density. However, closing bi-dimensional magnetic structures onto themselves as in a planar magnetron is dificult and their use is generally limited to simple geometrical configurations. The interest of three dimensional magnetron structures lies in the simplicity of magnet arrangement, and also in the various reactor designs they allow. A selected example of novel reactor configuration illustrates the recent developments based on DECR plasmas.

Résumé
Dans les sources plasma à résonance cyclotronique électronique répartie (RECR), l'accélération des électrons est produite par un champ électrique microonde, appliqué et réparti sur des structures magnétiques multipolaires, capables de fournir le long des aimants les conditions de résonance cyclotronique électronique. Avec ce type de configuration magnétique, les électrons rapides ainsi générés, et responsables de l'excitation du plasma, subissent un mouvement de dérive perpendiculaire au champ magnétique. Ainsi, les pertes d'électrons rapides aux extrémités des structures magnétiques ne peuvent être évitées qu'en refermant les structures magnétiques sur elles-mêmes comme dans les plasmas "magnétron". Les performances d'un réacteur cylindrique entouré de huit pistes magnétiques sont ensuite étudiées en fonction de la puissance microonde et de la fréquence d'excitation. Avec l'argon, la densité ionique augmente linéairement avec la puissance microonde, mais sature lorsqu'elle atteint une valeur voisine de la densité critique. Ce comportement est observé pour les trois fréquences étudiées, 960 MHz, 2,45 GHz et 5,85 GHz. Comme attendu, la densité ionique à la saturation varie comme le carré de la fréquence d'excitation, et la puissance microonde nécessaire pour atteindre la saturation est proportionnelle à la densité critique. Par ailleurs, refermer des structures magnétiques sur elles-mêmes comme dans les plasmas "magnétrons" plans est délicat et leur utilisation est souvent limité à des configurations géométriques simples. L'intérêt des structures "magnétron" tridimensionnelles réside dans la simplicité de mise en oeuvre, et surtout dans les possibilités d'agencement très variées qu'elles offrent. Un exemple de nouvelle configuration de réacteur illustre les récents développements sur les plasmas RCER.