Dans cette thèse, nous illustrons certains des enjeux de la physique et de la modélisation des plasmas partiellement magnétisés avec trois exemples spécifiques qui correspondent à des études en cours au sein du groupe GREPHE du laboratoire LAPLACE:
1) Confinement d’un plasma par festons magnétiques
2) Extraction d’électrons dans les sources d'ions négatifs pour l'injection de faisceaux neutres en fusion
3) Instabilités dans les décharges magnétron et propulseurs à courant de Hall
Dans ce résumé, nous proposons les conclusions qui peuvent être tirées de ce travail.
Extraction d'électrons dans des sources d'ions négatifs
Dans l' étude des sources d'ions négatifs pour la fusion, le but du groupe de GREPHE est de mieux comprendre la physique de la source d'ions négatifs, et plus spécifiquement, la questions de transport de plasma à travers le filtre magnétique et d'extraction d'ions négatifs du plasma. L'un des problèmes importants de ces sources d'ions négatifs est de minimiser le courant d'électrons qui sont co-extraits avec les ions négatifs. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur cet aspect et nous essayons de comprendre et de quantifier comment les électrons peuvent être extraits à travers une ouverture de grille lorsqu'un feston magnétique est placé devant l'ouverture. Nous avons pu comprendre et quantifier, à l'aide de simulations 3D PIC MCC (Particle-In-Cell Monte Carlo Collisions ), le rôle de la dérive ExB et de la dérive Grad B dans l'extraction des électrons de la grille plasma. Le courant associé à l'extraction des électrons du plasma n'est pas constant mais présente des oscillations dans le temps. L'instabilité associée à ces oscillations actuelles et sa contribution à l'extraction d'électrons nécessitent un complément d'étude.
Instabilité « rotating spoke » dans les décharges magnétron et les propulseurs à courant de Hall
Si le champ magnétique à la surface de la cathode est suffisamment grand, le chauffage électronique dans la région de la gaine cathodique diminue tandis que le chauffage des électrons dans le plasma augmente. La combinaison d'un grand champ électrique azimutal dans le plasma avec le gradient de champ magnétique entraîne un échauffement ou un refroidissement important des électrons dû à la dérive Grad B. Les « spokes » se forment dans la région de chauffage des électrons associée à la dérive grad B. Les simulations montrent clairement que le « rotating spoke » dans ces conditions est associé à une instabilité d'ionisation (même si, pendant la phase linéaire, la non-uniformité du plasma est déclenchée par une instabilité de type Simon-Hoh).
Confinement du plasma par festons magnétiques
Les conclusions suivantes peuvent être tirées des simulations. Le gyro-rayon hybride fournit un ordre de grandeur raisonnable de la largeur de fuite sans le facteur 4 de l'expression de Hershkowitz et al. et si la vitesse ionique est prise comme vitesse de Bohm. La largeur de fuite est pratiquement indépendante de la température des ions et se rapproche relativement de la température des électrons. Le gyro-rayon hybride ne donne cependant qu'un ordre de grandeur, et l'échelle 1 / B du gyro-rayon hybride n'est pas satisfaite dans la largeur de perte calculée. Les simulations prédisent une dépendance 1 / B de la largeur de perte uniquement à basse pression et à faible champ magnétique. Les variations de la largeur de perte avec le champ magnétique sont plus lentes que 1 / B à des champs magnétiques élevés. |
In this thesis we illustrate some of the issues in the physics and modeling of partially magnetized plasmas with three specific examples that correspond to ongoing studies in the GREPHE group of the LAPLACE laboratory:
1)Plasma confinement by magnetic cusps
2)Electron extraction in negative ion sources for neutral beam injection in fusion
3)Instabilities in magnetron discharges and Hall thrusters
In this summary we provide the conclusions that can be drawn from this work.
Conclusions:
Electron extraction in negative ion sources
In this study of negative ion sources for fusion, the aim of the GREPHE group is to better understand the physics of the negative ion source, and more specifically, the questions of plasma transport across the magnetic filter and of negative ion extraction from the plasma. One of the important issues in these negative ion sources is to minimize the current of electrons that are co-extracted with the negative ions. In this thesis we focus on this aspect and we try to understand and quantify how electrons can be extracted through a grid aperture when a magnetic cusp is placed in front of the aperture. We have been able to understand and quantify, with the help of 3D PIC MCC (Particle-In-Cell Monte Carlo Collisions) simulations, the role of ExB drift and Grad B drift in the extraction of electrons from the plasma grid. The current associated with the extraction of electrons from the plasma is not constant but present oscillations in time. The instability associated with these current oscillations, and its contribution to electron extraction need further study.
Rotating spoke instability in magnetron discharges and Hall thrusters
If the magnetic field at the cathode surface is large enough, electron heating in the cathode sheath region decreases while electron heating in the plasma increases. The combination of large azimuthal electric field in the plasma with the magnetic field gradient leads to a significant electron heating or cooling due to drift. The spoke forms in the region of electron heating associated with the drift. The simulations clearly show that the rotating spoke in these conditions is associated with an ionization instability (even though, in the linear stage, the plasma non-uniformity is triggered by a Simon-Hoh instability).
Plasma confinement by magnetic cusps
The following conclusions can be drawn from the simulations. The hybrid gyroradius provides a reasonable order of magnitude of the leak width without the factor of 4 of the expression of Hershkowitz et al. and if the ion velocity in is taken as the Bohm velocity. The leak width is practically independent of the ion temperature and scales relatively closely to with the electron temperature. The hybrid gyroradius only gives an order of magnitude, and the 1/B scaling of the hybrid gyroradius is not satisfied in the calculated leak width. The simulations predict a 1/B dependence of the leak width only at low pressure and low magnetic fields. The variations of the leak width with magnetic field are slower than 1/B at high magnetic fields. |