This work is motivated by the Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket (VASIMR) experiment. This device uses a helicon antenna to generate a plasma inside a dielectric tube, which is radially confined and directed towards the rocket nozzle by an axial magnetic field. An ion cyclotron heating antenna further heats the ions, and a magnetic nozzle accelerates the plasma along the confining magnetic field as it leaves the rocket, ultimately allowing it to detach from the magnetic field and produce thrust. The experimental research presented here provides insight into the physical mechanisms of power flow in a helicon system by providing an overall system power balance in the form of heat flux measurements, and exploring changes in the heat fluxes in different parts of the system in response to varying operational parameters. An infrared (IR) camera measures the total heat flux into the dielectric tube surface, and axially scanned bolometer and UV photodiode probes measure the radial power loss from particles and radiation. Results from IR camera measurements on three different helicon systems are presented: the VASIMR VX-50 experiment, the VASIMR VX-CR experiment, and the University of Texas at Austin (UT) helicon experiment. These results demonstrate the development of the IR camera diagnostic for use on helicon systems of varying scale and geometry, and show reasonable agreement as to the fraction of input power lost to the dielectric tube walls. On the UT experiment, the results presented account for essentially all of the input power, providing a full system power balance. The data from all three experiments indicate that radial transport of ions to the interior wall is the dominant mechanism of power loss, with UV radiation contributing a small percentage. Additional experiments on the UT helicon explore energy and particle transport to the wall due to capacitive coupling of ions near the antenna. These experiments show clear damage to the dielectric tube surface directly under the antenna, due to physical plasma etching of the surface by bombarding ions that are accelerated into the wall by local electric fields from the antenna. / text

Un modèle numérique d’un arc électrique diffus dans un disjoncteur à vide à champ magnétique axial (AMF) a été développé dans le but de mieux comprendre à terme la transition d’un mode de fonctionnement diffus de l’arc vers un mode plus concentré. Le comportement du plasma d’arc a été simulé depuis la sortie de la zone de mélange cathodique jusqu’à l’entrée de la gaine anodique. Le modèle bidimensionnel est basé sur un système d’équations hydrodynamiques à deux fluides non magnétisés (ions et électrons), incluant les équations de conservation d’énergie ionique et électronique. Il est démontré que les processus d’ionisation et de recombinaison et les effets visqueux sont négligeables. Les transferts radiatifs ne sont pas considérés en première approximation. Outre les forces dues au champ AMF, le modèle inclut les forces dues aux trois composantes du champ magnétique induit par l’arc. Deux régimes d’écoulement des ions, supersonique (aux faibles densités de courant) et subsonique (aux fortes densités de courant), sont considérés. Près de la cathode, les conditions aux limites sont spécifiées à partir de résultats de la littérature. A proximité de l’anode, elles sont basées sur une description simplifiée de la gaine anodique. Les résultats de simulation présentés mettent en évidence une constriction du courant et un comportement différent des ions aux faibles et aux fortes densités de courant, et renseignent sur l’influence de divers paramètres (intensité du courant, distance interélectrode). Ce travail présente également une étude expérimentale, basée sur des visualisations par vidéo rapide de l’arc et des mesures pyrométriques de la température de la surface de l’anode / A model of a diffuse arc in a vacuum circuit breaker with an axial magnetic field (AMF) has been developed with the ultimate aim to better understand the transition of the arc from a diffuse mode to a more confined mode. The interelectrode plasma is simulated from the exit of the mixing region on the cathode side to the entrance of the anode sheath. The two-dimensional model is based on the solution of a system of two-fluid (ions and electrons) hydrodynamic equations, including in particular the energy balance equations relative to both the ions and the electrons, which are treated as non-magnetized particles. It is demonstrated that ionisation and recombination processes, as well as viscous effects, can be neglected. Radiation losses are not taken into account in a first approximation. In addition to the forces due to the AMF, the model considers the forces created by the three components of the magnetic field induced by the arc current. The possibility of both supersonic (at low current density) and subsonic (at high current density) ionic flow regimes is considered. On the cathode side, the boundary conditions are specified using results from the literature. On the anode side, they are based on a simplified description of the anode sheath. The simulation results presented show a constriction of the current lines, emphasize the differences in the behaviour of the ions at low and high current densities, and provide some insight on the influence of various operating parameters (arc current, gap length). The present work comprises also an experimental study, based on high-speed camera visualisations of the arc and measurements of the temperature at the anode surface

Dans le cadre d’un projet étudiant la possibilité de remplacer le SF6 par du vide comme milieu de coupure dans les disjoncteurs Haute-Tension, un travail ayant pour objet d’acquérir une meilleure compréhension du comportement d’un arc de vapeurs métalliques à grandes distances inter-électrodes (> 10 mm) et contrôlé par un champ magnétique axial (AMF) a été entrepris. Ce travail a premièrement donné lieu à l’élaboration d’une expérience au cours de laquelle des arcs, créés entre deux contacts en CuCr25 fixes, ont été visualisés par vidéo rapide dans une maquette démontable d’ampoule à vide. Différents types de régime d’arc ont été observés. En outre, à l’aide d’une méthode numérique de détection des spots cathodiques, nous avons pu étudier l’évolution de la distribution spatiale des spots cathodiques, mesurer l’intensité moyenne du courant porté par un spot et déterminer le profil radial moyen de la densité de courant cathodique. Cette thèse a aussi eu pour objet le développement d’un modèle magnétohydrodynamique à 2 fluides, 2D-axysimétrique et quasi-stationnaire, de la zone d’écoulement hydrodynamique de l’arc, permettant de traiter le cas des régimes d’arc diffus supersonique et diffus subsonique. Ce modèle a permis d’étudier le comportement du plasma d’arc en fonction des intensités du courant d’arc et de l’AMF et de la distance inter-électrodes / In the frame of a project investigating the possibility to replace SF6 by vacuum as a breaking medium in High-Voltage circuit breakers, a study that focusses on acquiring a better understanding of the behavior of a metal vapor arc at long contact gap (> 10 mm) and controlled by an axial magnetic field (AMF) has been undertaken. The study involves first the building of an experimental setup where arcs, created between two fixed CuCr25 contacts, were visualized using a high-speed camera in a vacuum demountable chamber. Various types of arc regime have been observed. Moreover, by means of a numerical method of detection of the cathode spots, we were able to study the evolution of the spatial distribution of the cathode spots, to measure the average current carried by a spot and to determine the average radial profile of the current density at the cathode surface. This study had also for object the development of a 2D-axisymetric and quasi-steady magnetohydrodynamic model of the hydrodynamic flow region of the arc based on a two-fluid approach. The model allows to simulate the supersonic and the subsonic diffuse arc regimes. It is used to study the arc behavior as a function of to the arc current, the AMF intensity and the contact gap