Etude expérimentale des instabilités cinétiques dans le plasma chauffé à la résonance cyclotronique électronique

Experimental study on kinetic instabilities in electron cyclotron resonance heated plasma

• Auteur / Autrice : Bichu Subhash Bhasi Bhaskar
• Direction : Thomas Thuillier, Hannu Koivisto
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique subatomique et astroparticules
• Date : Soutenance le 24/05/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes en cotutelle avec Jyväskylän yliopisto
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie (Grenoble ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Iain Moore
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Delahaye, Johann Collot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Osvaldo Daniel Cortazar, Gilles Ban

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plasmas (gaz ionisés) -- Instabilités

Plasmas, Dynamique des

Mots clés libres

Ions multichargés

Instabilité

Plasma

Faisceaux d'ions

Ion beam

Plasma

Instability

Multicharged ions

Résumé

Les sources d'ions à la résonance cyclotronique électronique (ECR) sont utilisées pour produire des ions hautement chargés. Les ions sont produits dans un plasma magnétisé entretenu par l'interaction résonante de la gyrofréquence des électrons avec une onde électromagnétique radiofréquence. Les plasmas ECR présentent des instabilités cinétiques, ce qui limite l'espace des paramètres disponibles pour optimiser les courants d’ions extraits. La thèse est consacrée à l’étude et à la compréhension des mécanismes sous-tendant la formation de ces instabilités cinétiques sur diverses sources d'ions ECR.La thèse est divisée en six chapitres. Les deux premiers traitent de la pertinence du travail dans le contexte de divers domaines scientifiques et des connaissances théoriques de base nécessaires à la compréhension des processus impliqués dans la production du plasma ECR, ainsi que du contexte des instabilités cinétiques. Le troisième chapitre est consacré aux aspects techniques de l'une des sources d'ions utilisées dans les expériences, ainsi qu'à une discussion approfondie des méthodes de diagnostic employées au cours des nombreuses campagnes expérimentales menées.L'un des objectifs de ce travail est d'affiner la compréhension des mécanismes physiques qui déterminent la relation complexe entre les paramètres du champ magnétique de l'ECRIS et la transition du régime de fonctionnement stable au régime instable. Ainsi, un outil numériquea été développé pour calculer rapidement la structure tridimensionnelle du champ magnétique dans une source ECR et extraire les paramètres de champ magnétique pertinents. A savoir, la surface de champ iso-magnétique fermée où la fréquence cyclotronique de l'électron égale la fréquence de l’onde électromagnétique injectée. Le chapitre quatre détaille le développement de cet outil de calcul. En outre, ce chapitre contient une description du code de traitement du signal utilisé pour effectuer une analyse statistique sur une grande quantité de données collectées pendant l'une des campagnes expérimentales ; campagne consacrée à l'étude temporelle des émissions électromagnétiques induites par l'instabilité.Le cinquième chapitre résume l’ensemble des campagnes expérimentales et les principaux résultats obtenus. La plupart des caractéristiques générales du champ magnétique de l'ECRIS ont été déterminées à l'aide de calculs de champ magnétique dans cinq sources d'ions différentes. Une relation entre l'énergie des électrons chauds et le gradient de champ magnétique moyen parallèle aux lignes de champ magnétique sur la surface de résonance a été établie grâce à des expériences menées dans la source d'ions supraconductrice SECRAL-II à l'IMP-CAS, en Chine. L'effet de la configuration du champ magnétique sur la gestion de la population d'électrons chauds et, par conséquent, sur le contrôle de l'instabilité, a été établi par des études menées au GANIL, en France, à l'aide de la source d'ions GTS. Une autre campagne utilisant l'ECR JYFL 14 GHz en Finlande a établi une relation entre le rayonnement bremsstrahlung émis par le plasma et la distribution d'énergie des électrons s’échappant de la source, ainsi que l'effet des instabilités cinétiques sur la forme de la distribution d'énergie des électrons perdus. Une autre campagne expérimentale sur la source d'ions ECR 14 GHz de JYFL a révélé une relation temporelle entre l'émission pulsée d'ondes électromagnétiques pendant l'instabilité et la force du signal émis en effectuant une analyse statistique complète des données collectées. L'expérience a également révélé un regroupement (dans le temps) des émissions électromagnétiques dues à l'instabilité, phénomène précédemment observées dans les plasmas spatiaux et magnétosphériques. Le dernier chapitre présente une discussion d’ensemble de toutes les expériences réalisées ainsi que la portée des recherches futures dans ce domaine. Les publications associées à cette recherche sont proposées en annexe.

Electron Cyclotron Resonance Ion Source (ECRIS) is used to produce Highly Charged Ions (HCI). Ions are created in a magnetized plasma sustained by the resonant interaction of electron gyrofrequency with an externally applied Radio Frequency(RF) electromagnetic wave. It has been established that the ECRIS plasmas exhibit kinetic plasma instabilities, limiting the parameter space available for optimising the extracted beam currents. The thesis is devoted to gaining insights into the mechanisms underlying the formation of these kinetic instabilities on various ECR ion sources.The thesis is divided into six chapters. The first two chapters deal with the relevance of the work in the context of various scientific fields and the background theoretical knowledge required for understanding the processes involved in electron cyclotron resonance plasma production, along with the background on kinetic instabilities. The third chapter is devoted to the technical aspects of one of the ion sources utilised in the experiments, as well as an in-depth discussion of the diagnostic methods employed during the course of the dedicated experimental campaigns.One of the purpose of this work is to refine the understanding of the physical mechanisms determining the complex relation between the ECRIS magnetic field parameters and the transition from stable to unstable operation regime. As a result, a computational tool was developed to rapidly calculate the three-dimensional magnetic field structure in ECRIS and extract the relevant magnetic field parameters from the closed iso-magnetic field surface where the electron's cyclotron frequency equals the frequency of an externally applied electromagnetic wave. Chapter four details the development of this computational tool. Additionally, the same chapter has a comprehensive description of the signal processing code used to conduct statistical analysis on a large amount of data collected during one of the experimental campaigns devoted to the temporal study of instability-induced electromagnetic emissions.The fifth chapter summarises all experimental campaigns and the major findings obtained. Several of the general characteristics of the ECRIS magnetic field were determined using magnetic field computations in five different ion sources. A relationship between the energy of hot electrons and the average magnetic field gradient parallel to the magnetic field lines on the resonance surface has been established through experiments conducted in superconducting SECRAL-II ion source at IMP-CAS, China. The effect of magnetic field configuration on managing the hot electron population and consequently controlling the instability was established through studies conducted at GANIL, France, utilising the GTS ion source. Another campaign using the JYFL 14 GHz ECR in Finland established a relationship between plasma bremsstrahlung and the energy distribution of electrons lost from confinement, as well as the effect of kinetic instabilities on the shape of energy distribution of lost electrons. Another experimental campaign on JYFL 14 GHz ECR ion source revealed a temporal relation between pulsated emission of electromagnetic wave during instability with the strength of the emitted signal by performing a comprehensive statistical analysis of the collected data. The experiment also revealed a grouping (temporally) of electromagnetic emissions due to instability which were previously observed in space and magnetospheric plasma. The final chapter provides a comprehensive discussion of all the experiments performed along with the scope of future research in this field.