Offre de thèse
Etude du couplage de puissance et de l'auto-polarisation d'une colonne de plasma induits par une antenne ICP ou hélicon. Applications à la prochaine source Hélicon de SPEKTRE
Date limite de candidature
17-04-2024
Date de début de contrat
01-10-2024
Directeur de thèse
BROCHARD Fréderic
Encadrement
Le doctorant sera formé par ses encadrants au quotidien jusqu'à atteindre un degré d'autonomie suffisant après lequel l'avancement des travaux fera le point de réunions hebdomadaires (ou plus, si besoin). Le doctorant devra également suivre les formations requises par l'école doctorale C2MP. Un comité de suivi individuel sera mis en place, conformément aux pratiques réglementaires, afin de veiller au bon déroulement de la thèse.
Type de contrat
école doctorale
équipe
DEPARTEMENT 2 - CP2S : 201 - Expériences et Simulations des Plasmas Réactifs - Interaction plasma-surface et Traitement des Surfaces (ESPRITS)contexte
La transition vers une énergie décarbonée à l'horizon 2050 est impossible sans ruptures technologiques ou sociétales. La production d'électricité par fusion nucléaire fait aujourd'hui partie des pistes à plus haut potentiel, bien qu'à risque élevé [1]. Il reste en effet de nombreux défis à relever avant de parvenir à un réacteur à un fusion électrogène [2]. A ce jour, une cinquantaine de sociétés se sont toutefois déjà lancées dans la course à la fusion commerciale dans le monde, et la probabilité d'une ou plusieurs ruptures technologiques n'a jamais semblé aussi élevée [3]. Les réacteurs à fusion nucléaire sont des grands équipements extrêmement complexes. Pour réduire les risques technologiques et financiers, la recherche sur la fusion s'appuie donc également sur des dispositifs de taille intermédiaire et sur des machines de laboratoires, mieux indiquées pour effectuer des recherches amont et tester les principes pouvant aboutir à une rupture technologique. A l'Institut Jean Lamour, nous disposons d'une machine de recherche permettant de produire un plasma cylindrique magnétisé, ALINE [4], utilisée pour étudier le transfert de puissance entre une antenne radiofréquence (RF) et le plasma, à l'image des antennes de chauffage ICRF utilisées dans les tokamaks. Nous construisons également un équipement de plus grande envergure, SPEKTRE (http://bit.ly/ijl-spektre), qui permettra d'approcher davantage les conditions rencontrées dans un plasma de bord de tokamak, et qui sera notamment utilisé en collaboration avec des start-up fusion et le CEA Cadarache pour tester de nouveaux concepts technologiques. ALINE et SPEKTRE sont deux équipements de recherche complémentaires qui seront utilisés conjointement au cours des prochaines années, et qui définissent le cadre de cette thèse.spécialité
Physiquelaboratoire
IJL - INSTITUT JEAN LAMOUR
Mots clés
plasma magnétisé, interactions plasma/surface, plasma hélicon, chauffage plasma
Détail de l'offre
Cette thèse vise à mettre en place une source ICP (plasma à couplage inductif) ou hélicon [5] efficace afin d'augmenter la densité de la colonne de plasma dans le dispositif ALINE, et d'étudier les effets induits par la polarisation de cette colonne. Dans ALINE (1m de long, 30 cm de diamètre), le champ magnétique maximal est limité à 0,1 Tesla et les ions peuvent être considérés comme faiblement magnétisés. Il est donc possible de mesurer la densité du plasma à l'aide de la sonde de Langmuir installée dans la chambre. Cette sonde est montée sur un manipulateur motorisé 3D permettant de construire des cartes de la densité du plasma et des potentiels [6]. En outre, une sonde RFEA (Retarded field Energy Analyzer) pourra être utilisée pour déduire la fonction de distribution en énergie des électrons (EEDF) et des ions (IEDF) le long de la direction radiale à travers la colonne de plasma. Ces diagnostics permettront de caractériser complètement la colonne de plasma dans ALINE.
L'objectif principal de l'utilisation d'une source ICP est de contrôler la polarisation de la colonne de plasma en utilisant différentes conditions limites (flottantes ou mises à la terre) aux deux extrémités de la colonne de plasma, ce qui est une donnée importante pour la modélisation de ce type d'équipements, et pour l'étude des instabilités plasma qui s'y développent [7]. De la même manière, l'influence de la fréquence sur la polarisation du plasma pourra être étudiée ainsi que le couplage de la puissance RF par rapport aux spécifications de l'inducteur. Ces travaux sont nécessaires pour identifier les meilleures conditions de couplage dans la machine SPEKTRE (1 m de diamètre et 6 m de long, B = 0,1-0,5 T), où le plasma sera créé au moyen d'une source hélicon et chauffé au moyen d'une antenne ICRF [8].
Enfin, l'électrode RF actuelle pourrait être utilisée pour mesurer les flux de chaleur en fonction de l'angle d'incidence avec le champ magnétique [9]. Cette étude a déjà été menée en utilisant l'électrode RF à la fois en tant que source et collecteur. L'apport de la source hélicon permettrait donc de mesurer les flux de chaleur d'un plasma magnétisé sur une surface inclinable et polarisable, et ceci indépendamment de la source plasma. En complément des flux de chaleur, le taux de pulvérisation [10] pourrait également être mesuré en fonction de l'angle d'inclinaison, du champ magnétique, du type de gaz ou encore de la puissance RF de la source hélicon. Ce type d'étude permettrait de mieux contrôler l'interaction plasma paroi dans les machines destinées à la fusion. En effet, la présence d'impuretés provenant de la pulvérisation de surface chauffées au bord est la cause principale de la dissipation d'énergie et de la perte de confinement des plasmas de fusion magnétique.
Keywords
magnetized plasma, plasma/surface interactions, helicon plasma, plasma heating
Subject details
The aim of this thesis is to set up an efficient ICP (inductively coupled plasma) or helicon source [5] to increase the density of the plasma column in the ALINE device, and to study the effects induced by the polarization of this column. In ALINE (1 m long, 30 cm in diameter), the maximum magnetic field is limited to 0.1 Tesla, and the ions can be considered weakly magnetized. It is therefore possible to measure plasma density using the Langmuir probe installed in the chamber. This probe is mounted on a 3D motorized manipulator, enabling plasma density and potential maps to be constructed [6]. In addition, a Retarded Field Energy Analyzer (RFEA) probe can be used to deduce the energy distribution function of electrons (EEDF) and ions (IEDF) along the radial direction through the plasma column. These diagnostics will enable the plasma column to be fully characterized in ALINE. The main purpose of using an ICP source is to control the polarization of the plasma column using different boundary conditions (floating or grounded) at both ends of the plasma column, which is important for modeling this type of equipment, and for studying the plasma instabilities that develop in it [7]. Similarly, the influence of frequency on plasma polarization can be studied, as well as the coupling of RF power to inductor specifications. This work is necessary to identify the best coupling conditions in the SPEKTRE machine (1 m in diameter and 6 m long, B = 0.1-0.5 T), where the plasma will be created using a helicon source and heated using an ICRF antenna [8]. Finally, the current RF electrode could be used to measure heat fluxes as a function of the angle of incidence with the magnetic field [9]. This study has already been carried out using the RF electrode as both source and collector. The addition of the helicon source would therefore make it possible to measure the heat fluxes of a magnetized plasma on a tiltable and polarizable surface, independently of the plasma source. In addition to heat fluxes, the sputtering rate [10] could also be measured as a function of the tilt angle, magnetic field, gas type or RF power of the helicon source. This type of study would enable better control of plasma-wall interaction in fusion machines. Indeed, the presence of impurities from the sputtering of heated surfaces at the edge is the main cause of energy dissipation and loss of confinement in magnetic fusion plasmas.
Profil du candidat
étudiant(e) titulaire d'un diplôme de Master 2 en physique des plasmas, ou équivalent, avec une appétence pour le travail expérimental et de la curiosité pour les sciences dures. Des compétences en programmation (python ou Matlab) ou un goût pour l'analyse de données sont un plus.
Candidate profile
student holding a Master 2 degree in plasma physics, or equivalent, with an appetite for experimental work and a curiosity for the hard sciences. Programming skills (Python or Matlab) or a taste for data analysis are a plus.
Référence biblio
[1] U.S. Innovation to meet 2050 climate goals, Report (The White House, Washington, 2022).
[2] A. Fasoli, Essay: Overcoming the obstacles to a magnetic fusion power plant., Physical review letters 130, 220001 (2023).
[3] Fusion Industry Association annual reports, https://www.fusionindustryassociation.org/about-fusion-industry/, september 2023.
[4] E. Faudot, S. Devaux, J. Moritz et al., A linear radio frequency plasma reactor for potential and current mapping in a magnetized plasma, Rev. Sci. Instrum. 86, 063502 (2015). https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01285764
[5] R.W. Boswell, Plasma production using a standing helicon wave, Physics Letters A 33, 457 (1970).
[6] A. Cherukulappurath, E. Faudot, F. Brochard et al., Langmuir probe measurements in a magnetized capacitive discharge around a tilted RF electrode, AIP Conference Proceedings 2984, 040008 (2023). https://hal.univ-lorraine.fr/IJL-107/hal-04190652v1
[7] S. Vincent, Modification par injection de courant d'ondes azimutales dans une colonne de plasma magnétisé, thèse de l'ENS Lyon, soutenue le 9-12-2021. https://www.theses.fr/2021LYSE1292
[8] F. Brochard, D. Genève, S. Heuraux et al., SPEKTRE, a linear radiofrequency device for investigating edge plasma physics, 49th EPS Conf. on Plasma Physics, Bordeaux, July 2023. https://hal.science/hal-04171543
[9] A. Cherukulappurath, these de l'Université de Lorraine, Mesure et modélisation des flux de chaleur reçus par une surface dans un plasma RF magnétisé, soutenance le 27-11-2023.
[10] P. Hiret, K. Soni, A. Cherukulappurath et al., Plasma sputtering of biased electrodes in an oblique magnetic field, Plasma Sources Sci. Technol. 32, 095021 (2023).
[11] J. Moritz, S. Heuraux, N. Lemoine et al., Thermionic emission of a tungsten surface in high heat flux plasma: PIC simulations, Phys. Plasmas 30, 083514 (2023). https://hal.science/hal-04190773