Transport non linéaire dans un réacteur hélicon

• Auteur / Autrice : Laurent Liard
• Direction : Pascal Chabert, Jean-Luc Raimbault
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physiques des plasmas
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Palaiseau, Ecole polytechnique
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel Rosencher
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Chabert, Jean-Luc Raimbault, Gilles Cunge, Fabrice Doveil, Timo Gans, Stéphane Mazouffre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gilles Cunge, Fabrice Doveil

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Modèles mathématiques

Plasmas (gaz ionisés)

Mots clés libres

Plasma basse pression

Plasma magnetisé

Transport du plasma

Résumé

Les plasmas radiofréquences basse pression, utilisés pour la gravure de motifs nanométriques, requiert des taux d'ionisation suffisamment faibles pour que la diffusion du plasma soit régie par l'interaction des particules chargées avec un bain de gaz neutre. La propulsion spatiale nécessite des taux d'ionisation plus importants (qlq %), modifiant considérablement le transport des espèces vers les parois. Cette thèse présente une analyse théorique et expérimentale de ces plasmas fortement ionisés en présence d'un champ magnétique extérieur. Plusieurs modélisations fluides unidimensionnelles du plasma incluant la dynamique des neutres dans différents régimes de pression sont étudiées. Leur analyse, essentiellement analytique, met en évidence la présence d'un minimum de densité de neutres au centre de la décharge qui entraîne une augmentation du flux ionique à la paroi. Le bilan de puissance et le bilan de particule sont désormais couplés. L'ajout du bilan d'énergie pour le gaz neutre montre que l'échauffement du gaz est la principale cause du phénomène de déplétion. Diverses mesures dans la chambre de diffusion d'un réacteur hélicon corroborent ces prévisions théoriques. L'augmentation de température du gaz est quantifiée par LIF sur des métastables d'argon. La densité du gaz neutre, mesurée par TALIF, est minimum au centre de la décharge et présente également une diminution globale, très sensible au champ magnétique. Une étude temporelle du phénomène montre que le minimum de déplétion au centre apparaît en un temps typique de diffusion {millisecondes) alors que la densité globale, résultant de l'équilibre injection/pompage, met plus d'une seconde à se stabiliser.

Radiofrequency plasmas, widely used microelectronics, require sufficiently low ionization rates so that the diffusion of plasma is governed by charged particle interaction with the neutral gas. Space propulsion requires higher ionization rates {a few %), modifying considerably the transport of these species towards the walls. This thesis presents a theoretical and experimental analysis of these strongly ionized plasmas in the presence of an external magnetic field. Severa! one-dimensional fluid models including neutral dynamics in various pressure ranges are studied. Their analysis, primarily analytical, highlights the presence of neutral depletion at the center of the discharge which causes an increase in the ion flux to the wall. The power balance and particle balance become coupled. The addition of the neutral energy balance shows that gas heating is the principal cause of the neutral depletion. Various measurements in the diffusion chamber of an helicon reactor corroborate these theoretical predictions. The increase in gas temperature was quantified by LIF on argon metastable atoms. The neutral gas density, measured by TALIF, is minimal in the center of the discharge and its mean value also decreases, and is very sensitive to the magnetic field. A temporal study of this phenomenon shows that the depletion in the center appears after a typical diffusion time {milliseconds) whereas the mean density, determined by the balance between gas injection and pumping, takes more than one second to stabilize.