Caractérisation et modélisation des propriétés d’émission électronique sous champ magnétique pour des systèmes RF hautes puissances sujets à l’effet multipactor

Characterization and modelling of the secondary electron emission properties under magnetic field for high power RF systems subject to Multipactor effect

• Auteur / Autrice : Nicolas Fil
• Direction : Mohamed Belhaj
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electromagnétisme et systèmes de haute fréquence
• Date : Soutenance le 10/11/2017
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : Génie Electrique, Electronique et Télécommunications -GEET
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et recherches aérospatiales. Département Physique, Instrumentation, Environnement, Espace (DPHY) (Toulouse, Haute-Garonne)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe d'accueil doctoral Optronique, laser, imagerie physique, environnement Spatial (Toulouse, Haute-Garonne)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Pascal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Goniche, Julien Hillairet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Omar Jbara, Christine Robert-Goumet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Particules (physique)

Électromagnétisme

Mots clés libres

Fusion nucléaire contrôlée par confinement magnétique

Circulateur et isolateur de systèmes spatiaux

Systèmes radiofréquences (RF) et hautes puissances

Effet multipactor

Emission électronique secondaire

Electromagnétisme

Physique des matériaux

Cuivre et argent

Nuclear fusion controlled by magnetic confinement

Circulator and isolator space systems

Radiofrequency (RF) and high power systems

Multipactor effect

Secondary electron emission

Electromagnetism

Materials science

Copper and silver

Résumé

La fusion nucléaire contrôlée par confinement magnétique avec les réacteurs de type Tokamaks et les applications spatiales ont en commun d’utiliser des composants Haute-Fréquence (HF) sous vide à forte puissance. Ces composants peuvent être sujets à l’effet multipactor qui augmente la densité électronique dans le vide au sein des systèmes, ce qui est susceptible d’induire une dégradation des performances des équipements et de détériorer les composants du système. Ces recherches consistent à améliorer la compréhension et la prédiction de ces phénomènes. Dans un premier temps nous avons réalisé une étude de sensibilité de l’effet multipactor au rendement d’émission électronique totale (noté TEEY). Cette étude a permis de montrer que l’effet multipactor est sensible à des variations d’énergies autour de la première énergie critique et dans la gamme d’énergies entre la première énergie critique et l’énergie du maximum. De plus, les composants HF utilisés dans les réacteurs Tokamak et dans le domaine du spatial peuvent être soumis à un champ magnétique continu. Nous avons donc développé un nouveau dispositif expérimental afin d’étudier ce phénomène. Le fonctionnement du dispositif et la méthode de mesure ont été analysées et optimisées à l’aide de modélisations numériques avec le logiciel PIC SPIS. Une fois que l’utilisation du dispositif a été optimisée et que le protocole de mesures a été validé, nous avons étudié l’influence d’un champ magnétique uniforme et continu sur le TEEY du cuivre. Nous avons démontré que le rendement d’émission électronique totale du cuivre est influencé par la présence d’un champ magnétique et par conséquent également l’effet multipactor.

Space communication payload as well as magnetic confinement fusion devices, among other applications, are affected by multipactor effect. This undesirable phenomenon can appear inside high frequency (HF) components under vacuum and lead to increase the electron density in the vacuum within the system. Multipactor effect can thus disturb the wave signal and trigger local temperature increases or breakdowns. This PhD research aims to improve our understanding and the prediction of the multipactor effect. The multipactor phenomenon is a resonant process which can appear above a certain RF power threshold. To determine this power threshold, experimental tests or/and simulations are commonly used. We have made a study to evaluate the multipactor power threshold sensitivity to the TEEY. Two particular critical parameters have been found: first cross-over energy and the energies between the first cross-over and the maximum energies. In some situations, the HF components are submitted to DC magnetic fields which might affect the electron emission properties and hence the multipactor power threshold. Current multipactor simulation codes don’t take into account the effect of the magnetic field on the TEEY. A new experimental setup specially designed to investigate this effect was developed during this work. Our new experimental setup and the associated TEEY measurement technique were analysed and optimized thanks to measurements and SPIS simulations. We used the setup to study the influence of magnetic field perpendicular to the sample surface on the TEEY of copper. We have demonstrated that the magnetic field affects the copper TEEY, and hence multipactor power threshold.