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Sources Plasma

par Freddy Gaboriau - publié le , mis à jour le

L’équipe possède une forte expertise dans la modélisation de sources de plasmas froids de natures diverses, qu’elle met à profit pour aider à mieux comprendre la physique en jeu (mécanismes de base, couplage d’énergie) et pour contribuer à leur optimisation. Ces travaux se font pour la plupart dans le cadre de projets en collaboration avec des expérimentateurs et souvent en partenariat avec des industriels.

Ce thème de recherche se décompose actuellement en 4 sous-thèmes :


Cathode émissive

Les cathodes utilisées dans le cadre la propulsion plasma sont la plupart du temps constituées de matériaux thermo-émissifs (BaO, LaB6) avec un dispositif de préchauffage qui permet de produire des courants électroniques dont le but est soit de neutraliser le faisceau ionique (moteurs à grilles extractrices), soit de fournir les électrons nécessaires à l’ionisation et à la neutralisation du faisceau ionique (moteurs de Hall).
Un modèle de la cathode (géométrie cylindrique bidimensionnelle) transitoire auto-cohérent a été développé. Il est aujourd’hui un des deux seuls modèles disponibles dans la communauté de la propulsion électrique. Ce modèle incorpore une description fluide du plasma en supposant des distributions des espèces Maxwellienne, ainsi que des transferts thermiques aux parois (couplage avec un modèle thermique), qui conditionnent en grande partie le bon fonctionnement de la cathode. Un soin particulier a été apporté à la modélisation de l’émetteur thermoïnique. Ce modèle a permis de :
- Mettre en évidence certains phénomènes d’instabilité du plasma spécifiques de cette décharge (modes spot et plume), qui ont été jusqu’ici observés expérimentalement.
- D’explorer des géométries et courants variables. Des validations des propriétés électroniques via des mesures de diffusion Thomson sont en cours. Une collaboration avec l’Université du Michigan vient de démarrer.

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Source inductive magnétisée pour la propulsion

Dans le nouveau concept de propulseur double étage (cf. section plasmas magnétisés), l’étage d’ionisation est constitué d’une source à couplage inductif magnétisée. Cette source est adaptée à la géométrie cylindrique du propulseur de Hall (elle est placée dans le cylindre central) et, du fait du champ magnétique, permet d’entretenir un plasma à très basse pression (jusqu’à 0.1 mTorr). La configuration magnétique de la source a été choisie et optimisée de manière à confiner efficacement le plasma et à permettre un raccordement avec l’étage d’accélération du propulseur. L’étude, essentiellement expérimentale, a porté sur :
-  L’optimisation de l’efficacité de couplage. Grâce à une diminution de la fréquence à 4 MHz et la conception d’une boîte d’accord spécifique, le couplage capacitif a été minimisé. L’utilisation de ferrites adaptées a permis de maximiser l’efficacité du transfert de puissance pouvant atteindre plus de 90%.
-  La caractérisation complète de la source. Cette étude a permis de mettre en évidence le rôle de la pression et de la configuration magnétique sur le confinement du plasma. En outre, elle a démontré la capacité de cette source à produire un plasma de densités comparables à celles rencontrées dans un propulseur de Hall simple étage.

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Source à la PA pour le traitement de semences

Cette thématique de recherche a pour objectif d’évaluer le potentiel d’un traitement par plasma à pression atmosphérique pour homogénéiser et minimiser les traitements actuels des semences, pour décontaminer et lutter contre les agressions extérieures (conservation des semences) et pour améliorer la germination des semences. Le traitement par plasma est une technique de traitement dite « sèche » qui pourrait permettre de minimiser l’usage de produits chimique dans la phase de prétraitement des semences et diminuer l’usage d’eau dans la phase de germination des semences. Dans ce travail de recherche, un des éléments principaux concerne la conception, la caractérisation et l’optimisation d’une source plasma à pression atmosphérique. Son potentiel de traitement doit conjuguer l’amélioration des performances sans dégrader les échantillons biologiques traités.
La démarche consiste à étudier l’apport du plasma en absence des autres intrants, mais aussi à envisager le plasma comme un « activateur » pour améliorer la tenue des substances actives aux semences, optimisant ainsi l’usage des intrants. Cette approche permettra ainsi d’évaluer l’effet synergique potentiel du plasma et des intrants pour un recours raisonné aux traitements et aux ressources.
La source développée permet de produire plusieurs centaines de décharge de type pointe/plan, elle est alimentée par une alimentation continue 35 kV, 1mA dans l’air. Les semences sont soit directement en contact avec le plasma, soit nous utilisons le vent ionique produit par les décharges. La source a également un potentiel de décontamination qui est également étudié dans ce travail.

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Décharges pour le conditionnement de surface

Nous avons finalisé une étude de modélisation de GDC (GLow Discharge Cleaning) démarrée au cours du quadriennal précédent dans le cadre d’un contrat CEA, sur la demande d’ITER Organisation. GDC est une technique courante pour le conditionnement des parois de tokamaks qui consiste à appliquer une décharge continue en absence du champ magnétique toroïdal, entre plusieurs anodes insérées dans l’enceinte à vide du tokamak et les parois mêmes de l’enceinte faisant office de cathode (creuse). Nous avons développé un modèle auto-cohérent de la décharge GDC, permettant de mettre au clair (pour la première fois) les principes physiques de cette décharge et de prédire la distribution du courant d’ions sur les parois, en vue de la conception du système GDC d’ITER. Le modèle est basé sur une approche hybride, combinant un modèle fluide du plasma froid avec une simulation particulaire des électrons énergétiques issus des parois. Les résultats du modèle ont été validés à l’aide de données expérimentales obtenues sur un dispositif de laboratoire à échelle réduite ainsi que sur plusieurs grandes machines de fusion.

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