Commutateur DC haute tension fort courant et étude de l'érosion de la cathode

par Erwan Morel

Projet de thèse en Physique des plasmas

Sous la direction de Tiberiu Minea et de Daniel Lundin.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Ondes et Matière (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec Laboratoire de Physique des Gaz et des Plasmas (laboratoire) et de Université Paris-Sud (1970-2019) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 05-11-2018 .


  • Résumé

    Le fonctionnement des plasmas basse pression haute densité, et notamment des plasmas magnétisés, dans des régimes impulsionnels de très fort courant > 200 A pour plusieurs centaines de microsecondes est une spécialité du LPGP et particulièrement de l'équipe TMP-DS. La connaissance approfondie sur les plasmas magnétron impulsionnels haute puissance (HiPIMS pour High Power Impulse Magnetron Sputtering) ouvre une nouvelle perspective aux études de commutation de très forts courants pour des durées de l'ordre de la milliseconde. De plus, des configurations récentes de type magnétron inversé proposent des sources d'ions de très grande taille permettant de faire passer des très forts courants en phase gazeuse (> 100A), sans (ou avec un effet très limité de) érosion de la cathode, car la majeure partie des ions, dans ce cas provient de l'ionisation du gaz plasmagène. Au moins deux configurations seraient étudiées dans cette thèse, une de type magnétron et une de type source d'ions, pour les densités de courants les plus élevées possibles. Des estimations du facteur d'échelle seront proposées afin de répondre à des besoins de commutation pour des courants plus élevés, en accord avec les besoins applicatifs. La caractérisation optique et spectroscopique des plasmas, y compris à l'aide des lasers, est extrêmement puissante et riche capable d'analyser des traces d'espèce de moins de 1 ppm [1]. Cette famille de diagnostics pourra être utilisée dans ce travail de thèse. L'équipe TMP-D&S travaille depuis nombreuses années sur la modélisation des procédés plasma fonctionnant à basse pression, et notamment des plasmas magnétisés de type magnétron. Plusieurs modèles 0D de la région d'ionisation ont été conçus et testés [2] et ont permis d'étudier l'ionisation du gaz, la phase de monté du courant ainsi que la chute, en post-décharge. Des approches plus complexes, 2D, ont été également mises au point pour des plasmas dont la densité dépasse 3x10^18 m^-3 [3]. De plus, le transport des espèces métalliques en 3D dans des gammes des pressions intermédiaires (trop fortes pour considérer un régime balistique et trop basses pour traiter les problèmes en mode diffusif) a été mis au point et exploité dans l'équipe [4]. La méthodologie retenue se propose de combiner les deux approches - expérimentale et de modélisation – afin de caractériser l'interaction des forts courants avec les cathodes et de comprendre les mécanismes de formation des forts courants. Nombreuses techniques spectroscopiques sont disponibles dans les deux laboratoires. Egalement, le bureau d'études (BE) du LPGP permet d'assister à la conception de dispositifs pour permettre les visées optiques, par exemple et le service Instrumentation Scientifique (SIS) assistera les installations. Des dispositifs similaires ont été mis au point par SGI dans le cadre de ses expérimentations sur d'autres projets et peuvent être mis à profit dans ce nouveau projet. SGI dispose de moyens d'essais fort courant, mais également les sources de puissance disponibles au LPGP. La compréhension du plasma constitue l'objectif de cette thèse qui aura, comme second but le choix de la meilleure configuration conduisant à un plasma de très fort courant.

  • Titre traduit

    DC switches operating at hig voltage and high power and stydy of cathode erosion


  • Résumé

    Low pressure high density plasmas and particularly magnetized plasmas operating with high current pulses (> 200A) for several hundreds of microseconds is one of the major topics of the LPGP, particularly in the TMP-DS team. The deep knowledge of the High Power Pulsed Magnetron Sputtering (HiPIMS) plasmas open a new way for studying very high currents for relative long pulses of about millisecond duration. Moreover, very new configurations of the reversed magnetron proposed as ion sources of large area can allow to pass very high currents (> 100 A), without (or with a very limited) erosion of the cathode, since the major part of the ions originates from the operation gas atmosphere. At least two configurations will be studied in this thesis, one typically magnetron and the second as ion source, for current densities as high as possible. Extrapolations of the scaling up factor will be proposed allowing the safe operation at much higher currents, according to the final specifications. Optical and spectroscopic characterization of the plasma, including laser diagnostics, is very powerful and reach, capable to analyze traces of sputtered species below 1 ppm [1]. This family of diagnostics will be used during the thesis. TMP-D&S team works since more than two decades on the modeling of the low pressures plasmas, especially magnetized, such as magnetron. Several models have been developed, such as 0D (global model) for the ionization region [2], which allowed to study the gas ionization, the current rise up phase and the cut off, as well as the beginning of the afterglow. More complex modelling approaches has been developed to model the space distribution of the plasma in 2D, for very high density exceeding 3x10^18 m^-3 [3]. In addition, the transport of metal species in 3D for the intermediate gas pressure regime (higher than the ballistic and lower than diffusion) have been settled and exploited in the team [4]. The methodology to tackle this topics combines both, experiment and modeling, aiming to characterize the interaction of very high currents with the cathode and to understand the formation of such a huge currents. Many spectroscopic techniques are available in our two partner laboratories. Also, the technical department of LPGP will assist the design of the devices for optical access together with the contribution of the Scientific Instrumentation department. Similar devices have been made by our partner SGI for several experiments in other projects and the know-how will be used here. SGI has specific diagnostic systems for very high current, but also high power supply sources, even more powerful than the ones available at LPGP. The comprehension of the plasma produced is the objective of this thesis, aiming to focus further on the best configuration allowing the management of huge currents.