Mesure et modélisation des flux de chaleur reçus par une électrode RF dans un plasma magnétisé

Measurement and modelling of heat fluxes received by a RF electrode in a magnetized plasma

• Auteur / Autrice : Anil Cherukulappurath Mana
• Direction : Fréderic Brochard, Eric Faudot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 27/11/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Heuraux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fréderic Brochard, Eric Faudot, Kristel Crombé, James Paul Gunn, Volodymyr Bobkov
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Kristel Crombé, James Paul Gunn

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fusion nucléaire

Antennes (électronique)

Radiofréquences

Transfert de chaleur

Semiconducteurs -- Effets des plasmas

Plasmas (gaz ionisés)

Mots clés libres

Plasma radiofréquence

Flux de chaleur

Plasma magnetisé

Fusion nucléaire

Traitements de surface

Radio frequency plasma

Heat flux

Magnetized plasma

Nuclear fusion

Surface treatment

Résumé

Le chauffage excessif d'une électrode ou d'une antenne RF en raison d'un flux de chaleur élevé est un problème majeur dans la réalisation d'un futur réacteur à fusion thermonucléaire ou dans les application de plasma de décharge. L'accélération des ions dans le potentiel redressé des gaines RF devant l'antenne peut éroder le matériau et créer des impuretés à l'intérieur du plasma. Le chauffage dû aux électrons rapides peut également augmenter la température de surface et faire fondre le matériau, limitant l'efficacité du couplage de puissance de l'antenne. Dans le but de diminuer le flux de chaleur reçue par les dispositifs de chauffage RF (ICRF, électrode RF) ou de l'augmenter dans des dispositifs de nettoyage des miroirs utilisés dans les systèmes de chauffage électronique, des études paramétriques ont été menées pour mesurer les paramètes plasma autour d'une électrode RF de référence. Cette thèse tente donc de comprendre et de mesurer expérimentalement ces flux de chaleur reçus grâce à une électrode dont on peut modifier l'angle d'inclinaison avec le champ magnétique, tout en les comparant à un modèle théorique. Les expériences ont été réalisées dans le dispositif expérimental ALINE (A LINEaire) avec trois électrodes différentes utilisant deux mécanismes de couplage RF (couplage direct et capacitif). Des expériences d'érosion sont réalisées en utilisant une électrode cuivre entouré d'un bouclier thermique mise à la terre. Les mesures par sonde de Langmuir ont révélé que le motif d'érosion inhomogène à la surface d'une électrode est dû à la distribution non uniforme de la densité du plasma causée par les dérives ExB et diamagnétique ainsi que par des flux d'électrons rapides générés par la gaine RF. L'échauffement de l'électrode RF est mesuré à l'aide d'une caméra infrarouge, et le flux de chaleur est calculé à l'aide du code TEDDY pour différentes électrodes en tungstène. Dans les décharges capacitives, les mesures de sonde près de l'électrode RF montrent une auto-polarisation positive et une inversion de la gaine à champs magnétiques élevés et basses pressions (0,6 Pa, 0,1 T). Un échauffement plus élevé de l'électrode RF est observé lorsque l'auto-polarisation est positive. Des expériences supplémentaires avec l'électrode en tungstène ont montré un échauffement plus élevé en couplage direct qu'en couplage capacitif. Enfin les flux de chaleur mesurés sont plus importants en incidence rasante et à plus fort champ magnétique.

Excessive heating of the RF electrode/antenna due to high heat flux has detrimental impacts on fusion or plasma material processing perspectives. Acceleration of ions in the rectified potential in front of the RF antenna can sputter the material and create impurities inside the plasma. Heating due to electrons can raise the surface temperature and melt the material, eventually reducing the power coupling efficacy of the antenna. Since ion cyclotron resonance heating (ICRH) is one of the auxiliary heating mechanisms in modern fusion reactors and a new system is being developed based on capacitive coupling discharge for first mirror cleaning in tokamaks, investigations of particle flux/heat flux to the antenna/electrode surface in a magnetized RF environment has supreme importance. The presented thesis attempts to understand factors affecting heat flux by performing an experimental exercise and benchmarking the same with simple analytical/theoretical models. Experiments are performed in the ALINE (A LINEar) experimental device with three electrodes using two RF power coupling mechanisms (Direct and capacitive coupling). Sputtering experiments are performed using RF electrodes with a grounded copper wall. RF compensated Langmuir probe measurements revealed that the in-homogeneous sputtering pattern is due to the non-uniform distribution of the plasma density around the RF electrode caused by the drift and hot electron beams due to stochastic heating at the surface of the RF sheaths. This can also lead to non-uniform heating of the RF electrode. The heating of the RF electrode is measured using an IR camera, and heat flux is calculated using the code TEDDY for the one-faced tungsten and pure tungsten electrodes. In CCP mode, probe measurements near the one-faced RF electrode show positive bias and reversal of the electric field in front of the RF electrode at high magnetic fields and low pressures (0.6 Pa, 0.1 T). Higher heating of the RF electrode is observed when the bias is positive, meaning the positive bias can reduce the sputtering of the RF electrode by pushing the positive ions back into the plasma, but not the heating. Experiments with the tungsten electrode showed higher heating of the RF electrode in direct coupling than in capacitive coupling in all tilt angles.