Contributions aux progrès sur les mesures par sonde de Langmuir en présence de gaine RF et à la modélisation des ondes lentes au voisinage de la fréquence cyclotron ionique

Advancements in Langmuir probe diagnostic for measurements in RF sheath and in modelling of the ICRF slow wave

• Auteur / Autrice : Mariia Usoltceva
• Direction : Stéphane Heuraux, Kristel Crombé, Eric Faudot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 26/04/2019
• Etablissement(s) : Université de Lorraine en cotutelle avec Universiteit Gent
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Gérard Henrion
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Faudot, Stéphane Béchu, Hartmut Zohm, Jean-Marie Noterdaeme, Hendrik Rogier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Béchu, Hartmut Zohm

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tokamaks

Gaines de plasma

Sondes de Langmuir

Interactions plasma-onde

Ondes cyclotron

Mots clés libres

FCI

Diagnostic des plasmas

Sondes de Langmuir

Simulations numériques d’ondes

ICRF

Plasma diagnostic

Langmuir probes

Wave modelling

Résumé

Injecter de la puissance au plasma avec les ondes au voisinage de la fréquence cyclotron ionique (ICRF) est une technique prometteuse pour chauffer les plasmas de tokamak aux températures de fusion requises. Pour le rendement élevé, l'antenne ICRF doit être placée à proximité du plasma, mais ils accroissent les interactions plasma-paroi néfastes. Les ions accélérés par le champ électrique dans la gaine radiofréquence (RF) se sont avérés être à l'origine de ces interactions. La conception de l'antenne ICRF pourrait être optimisée pour réduire les effets observés. Ces études peuvent être réalisées sur une simple expérience dédiée. Aline (A Linear Experiment) est une machine linéaire avec un plasma cylindrique à basse température que s'appuie sur la caractérisation du plasma avec la sonde de Langmuir. Le champ magnétique modifie complètement le transport de particules dans le plasma. Par conséquent, les méthodes classiques d'analyse de sondes ne sont plus applicables. Cela est particulièrement vrai pour une sonde de Langmuir cylindrique de petit diamètre parallèle au champ magnétique ou avec un petit angle avec celui-ci. Les théories développées pour le traitement des données de la sonde de Langmuir pour le plasma magnétisé sont présentés. Les résultats sont comparés aux densités obtenues par interférométrie. Les techniques d'analyse des données présentées sont non seulement importantes pour l'application sur Aline, mais aussi pour d’autre machines à plasma magnétisé. IShTAR (Ion cyclotron Sheath Test Arrangement) fournit des conditions plus proches de celles du tokamak que celles d'Aline car possédant une antenne ICRF imitant celles d'un tokamak. L'objectif est d'étudier la propagation des ondes ICRF dans la configuration IShTAR. Les diagnostics de sonde ont été utilisés pour quantifier les paramètres plasma et les champs des ondes ICRF pertinents. Des simulations numériques de l'onde lente ICRF ont été réalisées à COMSOL. Le plasma a été mis en œuvre en tant que matériau avec des propriétés physiques ajustées manuellement. Les structures de champ obtenues pour l'onde lente diffèrent significativement de celles de l'onde rapide (autre solution de la relation de dispersion), et présentent une forte dépendance du profil de densité sur le bord du plasma. Les résultats de cette thèse contribuent aux études de la physique de la gaine RF sur des dispositifs linéaires dédiés, ainsi que de la physique des ondes ICRF sur le bord du plasma du tokamak en général.

Coupling power to the plasma with ion cyclotron range of frequencies (ICRF) waves is a promising method for heating tokamak plasmas to fusion relevant temperatures. For high efficiency, the ICRF antenna must be placed close to the plasma, but they enhance destructive plasma-wall interactions. Plasma ions accelerated by the electric field in the radio-frequency (RF) sheath have been found to be the main cause of these interactions. The ICRF antenna design could be optimized to reduce the observed effects. The physics of these effects can be studied on a simple specially designed experiment. Aline (A LINear Experiment) is a linear low-temperature plasma device. The machine is focused on plasma characterization with the Langmuir probe diagnostic. The presence of magnetic field changes completely the particle transport in plasma, therefore conventional methods of data analysis are not applicable. Especially it is true for a small cylindrical Langmuir probe parallel to the magnetic field or at a small angle to it. In this thesis theories are presented which were developed for Langmuir probe data processing for magnetized plasma. The first results are also presented, as well as a comparison to line-averaged densities by interferometry. Presented data analysis techniques are not only important for application on Aline but can be used on any machine with magnetized plasma. IShTAR (Ion cyclotron Sheath Test Arrangement) is closer to tokamak conditions than Aline because it has an ICRF antenna which mimics tokamak antennas. In the framework of this thesis the objective is to study comprehensively the ICRF wave propagation in IShTAR configuration. Probe diagnostics were employed to quantify the relevant plasma parameters and the relevant ICRF wave fields. Numerical simulations of the ICRF slow wave were done in COMSOL. Plasma was implemented as a material with manually assigned physical properties. Field structures obtained for the slow wave differ significantly from the other mode, fast wave, and exhibit strong dependence on the density profile on the plasma edge. The results of this thesis work contribute to the studies of the RF sheath physics on dedicated linear devices, as well as the physics of ICRF waves on the tokamak plasma edge in general. In ICRF simulations for tokamak devices the slow wave propagation on the edge is avoided. Results of this thesis can be used to improve the complex tokamak ICRF simulations.