Étude de propulseurs de Hall, de magnétrons planaires et de sources d'ions ECR par diffusion Thomson incohérente

Incoherent Thomson scattering investigations in Hall thruster, planar magnetron and ECR ion source plasmas

• Auteur / Autrice : Benjamin Vincent
• Direction : Sedina Tsikata
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 17/12/2019
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de combustion aérothermique réactivité et environnement (Orléans, Loiret ; 2007-...)
• Jury : Président / Présidente : Tiberiu Minea
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Garrigues, Stéphane Mazouffre, Yevgeny Raitses, Jérôme Fils
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ivo Furno, Gerard van Rooij

Mots clés

Mots clés contrôlés

Propriétés électroniques

Magnétrons

Modèles mathématiques

Plasmas (gaz ionisés)

Fusées à effet Hall

Réseau de Bragg

Thomson, Diffusion de

Mots clés libres

Diffusion Thomson incohérente

Diagnostic laser

Filtre notch à réseau de Bragg

Magnétron planaire

Source d'ion ECR

Propulseur de Hall

Incoherent Thomson scattering

Laser diagnostic

Volume Bragg grating notch filter

Planar magnetron

ECR ion source

Hall thruster

Résumé

La diffusion Thomson incohérente (DTI) est l’une des techniques les plus fiables pour sonder les propriétés électroniques d’un plasma. Des informations clés (densité, température, vitesse de dérive et FDEE) peuvent être obtenues par analyse de l’intensité et de la distribution spectrale de la lumière diffusée sur les électrons libres. Cette technique est non perturbative, permet de bonnes résolutions spatiotemporelles et peut être appliquée dans des régions magnétisées du plasma. Pourtant, l’implémentation de diagnostiques de DTI dans les plasmas bas températures pose un défi en raison des faibles densités plasma.Cette thèse se concentre sur le développement et l’application d’un nouveau diagnostic DTI. Un nouveau type de filtre notch est utilisé pour atténuer la lumière parasite (provenant de la diffusion de Rayleigh et des réflexions laser) et faciliter la détection du signal de diffusion Thomson. Ce composant a permis le développement d’un diagnostic, nommé THETIS, à la fois sensible et compact pour étudier trois sources plasmas magnétisés basse température fonctionnant à basse pression.Un magnétron plan a été étudié en régime continu (DCMS) et pulsé (HiPIMS), ces investigations ont permis l’extraction de profils spatiotemporels des propriétés électroniques. Cette étude s’est concentrée sur l’influence du type de gaz, du taux de répétition et de l’intensité du champ magnétique.Une source d’ions ECR a également été étudiée en régime pulsé et continu. L’influence du type de gaz, de la pression et de la puissance a été étudiée. En plus de l’étude de la dynamique électronique en régime pulsé,l’analyse de l’émission du plasma a permis de suivre les processus d’excitation et ionisation.Enfin, les propriétés électroniques selon les directions radiales et azimutales de propulseurs à effet Hall dans les configurations “standard” et “écrantage magnétique” ont été étudiées. L’influence du champ magnétique et des conditions de décharge ont été étudiées. Ce travail a révélé non seulement la présence d’anisotropies dans les propriétés des électroniques, mais également la présence de forte température dans les régions magnétisées du plasma du propulseur couplées à des FDEE fortement non maxwelliennes.Les résultats des travaux de cette thèse contribuent à la meilleure compréhension de ces plasmas et ouvrent une nouvelle voie pour leur modélisation et développement.

Incoherent Thomson Scattering (ITS) is one of the most reliable techniques for determining electron properties inside a plasma. Key information (electron density, temperature (more generally, the EEDF), and drift velocity) can be determined from the analysis of the intensity and spectral distribution of light of a laser pulse scattered by free electrons. In contrast to many conventional techniques, it is non-perturbative, gives access to spatiotemporally-resolved information, and can be applied in magnetized plasma regions. Yet ITS imple-mentation in low-temperature plasmas poses a particular challenge due to the low plasma densities involved. This thesis focuses on the development and application of a new ITS diagnostic. Traditional diagnostics have commonly used triple grating spectrometers to filter the stray light signal (from Rayleigh scattering and laserreflections) in order to allow detection of the Thomson-scattered signal from electrons. Instead, this work uses a recently-commercialized notch filter for stray light reduction. This approach enabled the development of a diagnostic with notable sensitivity and compactness.This diagnostic, named THETIS, was used to gain insights into three low-temperature, magnetized plasmas sources operating at low pressure. A planar magnetron was studied in continuous (DCMS) and pulsed (HiPIMS) regimes, with these investigations allowing the extraction of spatial and temporal profiles of electron properties. This study focused on the influence of the gas type, repetition rate, and magnetic field intensity. A ECR ion source was also studied in pulsed and continuous regimes. The influence of the gas type, pressure and power were investigated. In addition to the study of the dynamics of electron properties in pulsed operation,insights into species excitation and ionization were gained from the analysis of the plasma emission. Lastly, electron properties along radial and azimuthal directions in Hall thrusters in “standard” and “magnetics hielding” configurations were investigated. The influence of the magnetic field intensity, configuration, and direction were investigated, as well as the discharge power and voltage. This work revealed not only the presence of anisotropies in electron properties, but also high electron temperatures in magnetized regions ofthe thruster plasma and the presence of strongly non-Maxwellian EEDFs in such regions. The information on electron properties, and the accompanying physical insights obtained in this work, con-tribute to current understanding of these plasmas and provides a new path forward for their modeling and development.