Étude expérimentale de la production d’ions négatifs H- par des plasmas à la résonance cyclotron électronique

par Spyridon Aleiferis

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides, procédés, énergétique

Sous la direction de Stéphane Béchu et de Panayiotis Svarnas.

Le président du jury était Thierry Belmonte.

Le jury était composé de Eleftheria Pyrgioti, Kyriakos Hizanidis.

Les rapporteurs étaient Igor Kaganovich, Khaled Hassouni.


  • Résumé

    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.

  • Titre traduit

    Experimental study of H- negative ion production by electron cyclotron resonance plasmas


  • Résumé

    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.


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