Academic literature on the topic 'Plasmas à la Résonance Cyclotron Électronique'

Ce travail de thèse porte sur le propulseur électrique de type ECR (résonance cyclotron électronique) développé à l’ONERA. Ce propulseur quasi-neutre, qui utilise une tuyère magnétique pour accélérer le plasma, produit une poussée d’environ 1 mN pour des puissances inférieures à 50 W. Dans cette thèse, on se propose de développer et d’optimiser les diagnostics de mesure des performances du propulseur ECR, d’identifier les paramètres expérimentaux pouvant influencer les performances et d’améliorer la compréhension des phénomènes physiques ayant lieu dans le propulseur. Ces objectifs ont pour finalité l’amélioration des performances. Pour répondre à ces objectifs, plusieurs prototypes à aimant permanent ont été développés, et une balance permettant de mesurer directement la poussée a été modifiée pour caractériser le propulseur. Différentes études paramétriques ont été conduites, qui ont montré que les performances dépendaient directement du rapport entre le débit de xénon et la puissance micro-onde injectée. Il a également été observé que la longueur du conducteur externe de la source plasma et la pression ambiante ont une influence significative sur le niveau de performance. Après optimisation de la géométrie, un rendement total supérieur à 12 % a été obtenu. Des mesures séparées de la poussée thermique et magnétique ont permis de montrer que la composante magnétique était la contribution principale de la poussée dans tous les cas testés. Un code PIC 1D-3V a été utilisé pour simuler le comportement du propulseur, et a permis de reproduire le chauffage des électrons par résonance et l’accélération des espèces chargées dans la tuyère. L’ensemble des travaux ont mis en avant le rôle des composantes parallèle et perpendiculaire de la pression électronique
Electric propulsion is an alternative technology to the chemical propulsion that enables reducing propellant consumption for satellites. ONERA is developing an electric ECR thruster with a thrust around 1 mN and an electric power less than 50 W. The thruster creates a plasma by electron cyclotron resonance and accelerates it through a magnetic nozzle. In this thesis work, an optimization of the measurement diagnostics is done. The work also aims at identifying the important parameters for the performances of the thruster and at improving the understanding of underlying physics, in order to increase the thruster efficiency. Several prototypes have been developed and a thrust stand that can directly measure the thrust has been modified. Some parametric studies have been led and have shown that the thruster performance strongly depends on xenon mass-flow rate to microwave power ratio. It has also shown that the external conductor of the plasma source and the ambient pressure have a significant influence on the performances. Following a geometric optimization, a maximum total efficiency of more than 12% has been obtained. Separate measurements of the magnetic and thermal thrust have shown that the magnetic thrust is the main component of the total thrust. A 1D-3V PIC code has been used to simulate the behavior of the thruster. The analysis of the results has shown that the ECR heating and particle acceleration in the magnetic nozzle could be properly computed. The role of the parallel and perpendicular component of electron pressure has been evidenced by this work

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
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

Une nouvelle source d'ions a resonance cyclotron electronique est developpee pour de l'implantation ionique. Cette source compacte, realisee entierement en aimants permanents emploie un generateur micro onde d'une frequence de 2,45#g#h#z afin de diminuer son cout. Un acces direct au plasma permet l'injection d'echantillons metalliques dans le plasma qui sont evapores soit directement, soit par l'intermediaire d'un micro four, pour creer des faisceaux d'ions metalliques. Dans un but de comprehension et d'amelioration des sources, on etudie des plasmas d'helium pur, d'argon, ou de melange helium argon, pour deux sources d'ions productrices de moyens etats de charge et d'ions multicharges. Divers diagnostics sont utilises pour cette etude: l'interferometrie micro onde, la spectroscopie visible et la spectrometrie de masse. Ces diagnostics conjugues de maniere simultanee permettent de determiner la densite moyenne d'elecrons libres a l'interieur du plasma, et de l'energie moyenne des ions, et les especes ioniques extraites de la source. Le diagnostic de spectroscopie visible permet de mettre en evidence a l'interieur du plasma et de maniere passive l'evolution des particules neutres et des ions, ainsi que la presence d'atomes (d'ions) fortement excites. L'etude de rapports d'intensite de raies d'emission de l'helium est realisee, afin d'etablir l'ordre de grandeur de l'energie moyenne des electrons du plasma. Une etude similaire effectuees sur des raies de l'argon montre de maniere qualitative que la temperature electronique est plus forte en melange de gaz qu'en argon pur. A partir de l'etude de la largeur a mi hauteur des raies d'emission, on verifie pour la premiere fois dans des sources d'ions de fort confinement magnetique, que la temperature ionique est faible et resulte de l'echange d'energie entre les electrons et les ions et d'un effet d'acceleration des ions par des champs electriques

Durant cette thèse nous avons caractérisé et amélioré une nouvelle source de rayons X avec unplasma ECR (résonance cyclotronique électronique) permettant de générer des électronsénergétiques de 10 à 120 keV, qui vont ensuite produire le rayonnement X par freinage(bremsstrahlung). Les améliorations de l’installation ont permis d’obtenir une source stable, pouvantfonctionner une journée entière de travail (huit heures) sans arrêt. Dans la première partie de l’étudeexpérimentale on a étudié et déterminé les paramètres optimaux de la source : la pression, lapuissance micro-onde et la configuration magnétique sur le rayonnement X du plasma. Nous avonségalement confirmé la localisation des électrons énergétiques sur un anneau due à la configurationmagnétique. L’intensité trop faible et la zone d’émission non ponctuelle du rayonnement plasma, nepermettant pas l’utilisation de la source à plasma, une cible a été insérée sur la trajectoire desélectrons énergétique pour résoudre ces deux problèmes.Le principal avantage de notre source par rapport aux tubes X, est l’absence de haute tension (20 à400 kV). Pour chauffer les électrons, nous utilisons une onde de 2,45 GHz, qui est la fréquenceindustrielle autorisée dans les fours à micro-ondes, délivrée par un magnétron. Les éléments simplesqui composent notre source donne un coût plus faible qu’un système classique de tubes X, dûprincipalement au prix élevé du générateur HT pour les tubes X. De plus, nous n’avons pas besoind’un vide très poussé car, à la différence des tubes X, la source ECRX fonctionne avec une pressionrésiduelle de 0,1mPa. Et enfin notre source est compacte ce qui la rend facilement transportable. Lesapplications de cette source sont nombreuses comme la radiologie, la stérilisation et le contrôle nondestructif industriel
During this thesis we have characterised and developed a new X-ray source with an ECR plasma(electron cyclotron resonance) generating energetic electrons from 10 to 120 keV, which will emit adeceleration radiation (the Bremsstrahlung). The improvements of the installation permit to obtain astable source, which can work during one day (eight hours) without stop. In first part of theexperimental study we have studied and determined the optimal parameters of the source: pressure,micro-wave power and the magnetic configuration on the X radiation of the plasma. We also confirmedthe localisation of the energetic electron on a ring due to the magnetic configuration. The low intensityand the non punctual emission size of the X radiation, don’t allow the use of the source, so a target isinserted in the trajectory of the energetic electron to solve these two weaknesses.The main advantage of our source compared with X-ray tubes, is the absence of high voltage (20 to400 kV). For heating the electron, we use a 2,45 GHz wave, that is the industrial frequency authorizedfor the micro-wave oven, delivered by the magnetron. The simple elements that compose our sourceare less expensive than the classical X-ray tubes, due to mainly the high cost of the X-ray generator.Moreover, we don’t need a high vacuum, mandatory for the X-ray tubes; an ECRX operates at aresidual pressure of 0,1 mPa. And finally, we have a compact source. Applications will be various frommedical, like radiological, sterilization, to non-destructive industrial control

Le but de cette these est d'etudier la population electronique energetique d'une source d'ions a resonance cyclotron des electrons. Le diagnostic choisi pour l'etude de ces electrons energetiques est la detection du rayonnement de freinage. L'experience a tout d'abord ete realisee et montee sur la source quadrumafios qui a ete concue pour des etudes de physique et qui permet l'implantation de nombreux diagnostics. Les distributions trouvees pour ces electrons energetiques sont non maxwelliennes et l'energie moyenne des particules peut atteindre plusieurs centaines de kev. Par ailleurs la mesure du rayonnement de freinage en plusieurs points du plasma a permis de montrer que la fonction de distribution etait essentiellement dependante de la dynamique perpendiculaire des electrons par rapport au champ magnetique. Il est vrai que l'onde haute frequence (10 ghz et 18 ghz dans le cadre de cette etude) communique aux electrons une energie essentiellement perpendiculaire par rapport au champ magnetique. En parallele a ce travail experimental, un code de calcul de la fonction de distribution electronique a ete developpe. Dans un cadre unidimensionnel (vitesse perpendiculaire uniquement), non relativiste, ce code integre un certain nombre d'ingredients physiques pour modeliser la fonction de distribution electronique (chauffage des electrons par l'onde hf, pertes des electrons dans le cone de pertes, source d'electrons par ionisation, terme de relaxation entre electrons)

Dans une machine de type tokamak, il faut chauffer le plasma jusqu'à une température limite à partir de laquelle pourront se déclencher un nombre suffisant de réactions de fusion. De plus, pour avoir un réacteur, il faut fonctionner en régime continu. Pour résoudre en partie ces problèmes, on envoie des ondes à la fréquence hybride inferieure qui, transférant leur énergie aux particules du plasma, créent un courant toroïdal. Des mesures expérimentales de la localisation spatiale et du profil de ce courant semblent en contradiction avec les prévisions théoriques. Nous proposons deux méthodes de diagnostic de ce courant par l'envoi d'ondes vérifiant la relation de résonance cyclotron électronique. Le principe est de mesurer l'atténuation de ces ondes de façon à reconstituer le profil de densité de courant. La première des deux méthodes concerne le cas des plasmas peu denses. Elle consiste en l'envoi d'ondes le long de cordes verticales dans le plan poloïdal. Le profil de densité de courant est obtenu après une inversion d'Abel. Dans la seconde méthode, adaptée à des plasmas plus denses, l'envoi d'ondes dans le plan équatorial entraine une réfraction. Dans ce cas, l'inversion d'Abel n'est pas utilisable et une nouvelle méthode d'inversion numérique a été mise au point. Ces deux diagnostics ont été simulés numériquement en modélisant le mieux possible un plasma de tokamak et le comportement des ondes vérifiant la résonance cyclotron électronique. Nous montrons que l'accord entre les profils de densité de courant initiaux et les profils reconstitués est très satisfaisant

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.