Contrôle et stabilité des colonnes de plasma magnétisées : interactions plasma-cathode et opération d’un plasma hélicon

Control and stability of magnetised plasma columns : plasma-cathode interactions and helicon plasma operation

• Auteur / Autrice : Francis Pagaud
• Direction : Nicolas Plihon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 01/07/2024
• Etablissement(s) : Lyon, École normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique (Lyon ; 1988-....)
• Jury : Président / Présidente : Ivo Furno
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Plihon, Ivo Furno, Cécile Arnas, Stéphane Heuraux, Sedina Tsikata, Renaud Gueroult
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cécile Arnas, Stéphane Heuraux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes

Plasmas (gaz ionisés)

Mots clés libres

Antenne hélicon

Cathode émissive

Instabilités

Ondes

Plasma magnétisé

Potentiel plasma

Helicon antenna

Emissive cathode

Instabilities

Waves

Magnetised plasma

Plasma potential

Résumé

Le transport, les ondes et les instabilités sont des problématiques courantes des plasmas magnétisés, à l’origine de problèmes fondamentaux et de limites opératoires pour les plasmas de fusion, les accélérateurs de particules à plasma ou la propulsion plasma. Le contrôle des propriétés du plasma est souhaitable mais complexe. Ce doctorat vise à utiliser une cathode émissive comme nouveau paramètre de contrôle et à comprendre la stabilité du plasma hélicon. Le dispositif expérimental est une enceinte à vide cylindrique de 80 cm de long et 20 cm de diamètre, connecté à un tube source en verre de 11 cm de diamètre. L’argon est injecté en continu à 0,13 Pa et ionisé par une antenne radio-fréquence inductive de 1 kW enroulée autour du tube source. Un champ magnétique de 170 G à 340 G garantit une faible magnétisation. Une cathode chaude injecte un fort courant thermionique à l’autre extrémité de la colonne de plasma. Les mesures optiques de température de la cathode ont révélé un profil fortement inhomogène dû aux interactions plasma-cathode, et fut reproduit numériquement avec succès par un modèle thermique détaillé. Le régime opératoire prédit est en excellent accord avec les expériences. L’influence expérimentale de l’injection d’électrons sur les propriétés plasmas, et plus particulièrement le potentiel plasma, a été couplée à une approche analytique basée sur un modèle de plasma magnétisé. Un accord qualitatif entre les prédictions théoriques et le contrôle effectif du potentiel plasma a été trouvé. La perspective de l’utilisation d’une cathode émissive comme nouveau paramètre de contrôle ouvre la possibilité d’un réglage fin de la dynamique globale du plasma, ainsi que la mitigation du transport et des instabilités au sein du plasma. Des améliorations sont discutées en vue d’une prédiction quantitative accrue. Enfin, une source de plasma hélicon haute densité a été implémentée afin d’atteindre des taux d’ionisation importants et un couplage antenne-plasma optimal. Ce nouveau système a été caractérisé à l’aide de sondes et d’imagerie rapide. Des signatures typiques des plasmas hélicons ont été retrouvées telles que des transitions de mode E-H-W, une rupture de symétrie liée au champ magnétique et la propagation d’ondes whistler m = +1. En outre, des oscillations basse-fréquence telles que des oscillations H-W et W-W, et des instabilités coexistantes de Rayleigh-Taylor et Kelvin-Helmholtz ont été identifiées. Une forte instabilité multi-échelles à 1080 G a été également brièvement explorée. L’identification des mécanismes d’instabilité via le calcul des taux de croissance, la décomposition 2D-FT et POD ont permis de comprendre les mécanismes physiques à l’oeuvre.

Radial transport, azimuthal waves and instabilities are common features in magnetised plasmas, causing major challenges for plasma propulsion, plasma wakefield particle acceleration or fusion devices. Plasma properties control is desirable yet complex. This PhD thesis follows two goals, one being the use of an emissive cathode as a new parameter control and the other being the fundamental understanding of the helicon plasma operational stability. Firstly, the role of the injection of electrons inside a magnetised plasma column has been studied experimentally and numerically. The experimental set-up is a 80 cm long and 20 cm diameter vacuum vessel connected to a 11 cm wide glass tube. The argon gas at a base pressure of 0.13 Pa is ionised by a 3-turns inductive radio-frequency antenna supplied at 1 kW. Magnetic field ranging from 170 G to 340 G, ensures a weak magnetisation of the plasma. A large tungsten hot cathode was placed at the end of the plasma column to inject an important thermionic current. Electrical and optical measurements of the cathode temperature revealed a highly inhomogeneous cathode temperature profile due to plasma–cathode interactions. A detailed thermal modelling solved numerically accurately reproduces the heterogeneous rise in temperature witnessed experimentally. The operating regime was predicted in excellent agreement with experimental results.The fine understanding of the emissive cathode behaviour in presence of a surrounding magnetised plasma permitted to explore its influence on the plasma properties, and especially the plasma potential. An analytical approach based on a two-fluids plasma model and anisotropic electrical conductivities, predicting plasma potential control and plasma rotation regulation as a function of thermionic emission, has been applied and compared to a wide experimental dataset of plasma properties. The works presented confront the role of cross-field ion transport to experimental radial plasma potential scans with a semi-quantitative agreement, highlighting a new major application of emissive cathodes.Finally, a state-of-the-art helicon plasma source has been implemented to produce higher ionization rates. This new system required a complete characterisation of plasma properties through electrostatic probes and high-speed camera imaging. It reproduced well-known helicon plasma features such as E-H-W mode transitions, bistability and hysteresis, chirality emerging from the external magnetic field direction and the propagation of m = +1 whistler waves. Besides, it displayed complex behaviours such as H-W and W-W oscillations, or coexisting low-frequency Kelvin-Helmholtz and Rayleigh-Taylor instabilities. A strong multiscale core instability at 1080 G was also briefly investigated. Wave-mode identification based on theoretical growth rates, 2DFT modal decomposition and POD has been conducted, unravelling the physical mechanisms at stake.