Thèse doctorat : Thermique et Energétique : Villeurbanne, INSA : 2004. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 172-177.

Les processus physiques qui régissent la pulvérisation de sprays constituent la première étape vers une compréhension globale du comportement de moteurs fusées à ergols stockables. La première partie de ces travaux détermine, au moyen de visualisations et d’analyses granulométriques, les paramètres importants contrôlant la formation de sprays par impact de jets liquides. Des injecteurs dédiés à pulvériser des ergols stockables sont ensuite conçus. L’enjeu de la seconde partie des travaux est d’étudier la combustion de l’éthanol avec le peroxyde d’hydrogène, ergols stockables considérés moins nocifs. L’utilisation de cette association bi-ergols innovante a nécessité d’analyser en détail leur compatibilité à l’allumage, ainsi que leurs performances en combustion sur la gamme de richesses 0,4 – 2,0, à l’aide de diagnostics optiques et physiques spécifiques. Les efficacités de combustion atteignent entre 87 et 98 %, les fluctuations de pression ne dépassent pas 10 %, mais les légères différences obtenues permettent de sélectionner les meilleures configurations d’injection favorisant la combustion ou sa stabilité. / The physical processes involved in spraying are the first step towards a comprehensive understanding of the behavior of rocket engines using storable propellants. The first part of this work identifies, through visualizations and particle sizing, the important parameters driving the formation of spray by impinging liquid jets. Then, injectors dedicated to spray storable green-propellants are designed. The second part of this thesis aims at studying the combustion of ethanol with hydrogen peroxide, which are regarded as green-storable propellants. But the use of this innovative bi-propellant association required a detailed analysis of their ignition compatibility, as well as their combustion performance within the range of 0,4 – 2,0 in overall equivalence ratio. Specific optical and physical diagnostics helped to achieve these goals. Combustion efficiency reached between 87 and 98 %, pressure fluctuations did not exceed 10 %, but the slight differences obtained allowed to select the best injection configurations promoting efficient combustion and stability.

Cette thèse porte sur l’étude de la production de surface des ions négatifs (IN) pour des applications dans la fusion thermonucléaire. Ce travail a été réalisé à l'aide d'une source plasma PHISIS. Les IN formés en surface de l'échantillon sont collectés et analysés avec un spectromètre de masse (SM). La fonction de la distribution en énergie des ions négatifs FDEIN est mesurée. Dans cette thèse, une technique de polarisation DC pulsée est introduite pour permettre l'étude de la production d'IN en surface sur des échantillons isolants comme le diamant. Un modèle qui calcule le taux de changement de la variation de la tension sur une surface isolante polarisée en mode pulsé est développé. De façon surprenante, la production d’IN en surface sur un diamant dopé au bore ou non dopé est beaucoup plus élevée en mode pulsé qu'en mode continu. Il est traité également la production d’IN en surface dans les conditions de faible tension de polarisation. Le meilleur rendement d’IN mesuré à faible polarisation est obtenu avec du diamant dopé au bore (BDD) et il est 2 fois plus élevé que celui mesuré sur HOPG (high oriented pyrolitic graphite). L'analyse de la production d’IN en surface à différents polarisations pour différents matériaux a été effectuée afin de corréler l'évolution du rendement d’IN aux changements d'état de surface. Une étude approfondie de la production en surface d'IN a été réalisée sur la surface de Nanoporous 12 CaO. 7Al2O3 electride surface. L'influence des conditions expérimentalles sur le rendement en IN a été étudiée. Dans cette contribution, nous montrons que ce matériau pourrait potentiellement être utilisé dans les sources d'ions négatifs sans césium / This thesis deals with negative ions (NI) surface production for applications in thermonuclear fusion. This work was conducted using a plasma source PHISIS. NI formed on a negatively biased sample surfaceare collected and analyzed with energy mass spectrometer (MS). Negative ion distribution function NIEDF is measured. A SIMION calculation was done to have a complete idea about MS transmission effect on the NIEDF. In the course of this thesis, a DC pulsed bias technique is introduced to enable the study of negative ion surface production on insulating samples as non-doped diamond layers. A model that calculate the rate of change of bias on insulator surface biased in pulsed mode is developed. Surprisingly, negative-ion surface production on boron-doped or non-doped diamond is much higher in pulsed mode than in continuous mode. This thesis deals also with negative ion surface production in low bias condition. The best NI yield measured at low bias is obtained with Boron doped diamond (BDD) ant it is 2 times higher than the one measured on HOPG (highly oriented pyrolytic graphite) surface. Analysis of NI surface production at different surface bias for different material were performed in order to correlate the NI yield evolution to the surface state changes.An extensive study of NI surface production was performed on Nanoporous 12CaO.7Al2O3 electride surface. The influence of surface temperature, bias and plasma exposure time on negative-ion yield was investigated. In this contribution, we show that the electride material has potentials to be used as a production surface in negative ion sources devoted to nuclear fusion application

Dans cette thèse, nous initions la démonstration, à échelle réduite, de la faisabilité du photodétachement presque total, par laser, d'un jet d'ions négatifs d'hydrogène en cavité optique Fabry-Perot pour les futurs injecteurs de neutres destinés au chauffage des plasmas des réacteurs de fusion nucléaire.Nous élaborons une nouvelle méthode de mesure d'une section efficace de photodétachement, dont la connaissance à la longueur d'onde d'excitation est requise pour le dimensionnement de la cavité Fabry-Perot, basée sur l'observation de la saturation en régime d'éclairement impulsionnel. Le calcul analytique de l'accroissement du signal de détachement produit lors de l'éclairement d'un jet d'ions par une impulsion laser supposée gaussienne, fait apparaître une contrainte mathématique sur le flux requis pour transiter vers le régime saturé. Cette contrainte est une caractéristique de la transition vers la saturation pour toutes les expériences réalisées en faisceau gaussien et pour tous les processus d'interaction lumière-matière linéaires. Avec cette méthode, nous déduisons une section efficace de photodétachement de H- à 1064 nm - longueur d'onde sélectionnée pour les futurs injecteurs de neutres - en léger désaccord avec les prédictions théoriques.Pour réduire les exigences technologiques sur la cavité et le laser, nous étudions les résonances de Landau qui apparaissent dans le spectre de photodétachement en champ magnétique. S'asservir sur l'une de ces résonances permettrait d'augmenter la probabilité de photodétachement à un flux donné.Par ailleurs, nous présentons nos mesures des affinités électroniques du phosphore, du sélénium et de l'étain, réalisées avec le microscope de photodétachement. L'expérience de microscopie de photodétachement du phosphore est la première où l'atome neutre est laissé dans un terme excité.

Dans cette thèse, nous initions la démonstration, à échelle réduite, de la faisabilité du photodétachement presque total, par laser, d’un jet d'ions négatifs d'hydrogène en cavité optique Fabry-Perot pour les futurs injecteurs de neutres destinés au chauffage des plasmas des réacteurs de fusion nucléaire.Nous élaborons une nouvelle méthode de mesure d’une section efficace de photodétachement, dont la connaissance à la longueur d’onde d’excitation est requise pour le dimensionnement de la cavité Fabry-Perot, basée sur l’observation de la saturation en régime d’éclairement impulsionnel. Le calcul analytique de l’accroissement du signal de détachement produit lors de l’éclairement d’un jet d’ions par une impulsion laser supposée gaussienne, fait apparaître une contrainte mathématique sur le flux requis pour transiter vers le régime saturé. Cette contrainte est une caractéristique de la transition vers la saturation pour toutes les expériences réalisées en faisceau gaussien et pour tous les processus d’interaction lumière-matière linéaires. Avec cette méthode, nous déduisons une section efficace de photodétachement de H- à 1064 nm – longueur d’onde sélectionnée pour les futurs injecteurs de neutres – en léger désaccord avec les prédictions théoriques.Pour réduire les exigences technologiques sur la cavité et le laser, nous étudions les résonances de Landau qui apparaissent dans le spectre de photodétachement en champ magnétique. S’asservir sur l’une de ces résonances permettrait d’augmenter la probabilité de photodétachement à un flux donné.Par ailleurs, nous présentons nos mesures des affinités électroniques du phosphore, du sélénium et de l’étain, réalisées avec le microscope de photodétachement. L'expérience de microscopie de photodétachement du phosphore est la première où l’atome neutre est laissé dans un terme excité. / In this thesis, we initiate the demonstration, at a reduced scale, of the feasibility of the almost-complete laser photodetachment of negative hydrogen ion beams in a Fabry-Perot optical cavity for future neutral beam injectors for the heating of fusion power plants plasmas.We develop a new method to measure a photodetachement cross section, the knowledge of which at the exciting wavelength is needed to scale the Fabry-Perot cavity, based on the observation of the saturation in a pulsed lighting regime. The analytical calculus of the detachment signal growth produced while illuminating a negative ion beam with a Gaussian laser pulse bring out a mathematical constraint on the required flux to pass through the saturated regime. This constraint is the signature of the transition toward the saturation for all experiment carried out in Gaussian beam and for all linear light-matter interaction processes. With this method, we measure the photodetachement cross section of H- at 1064 nm – selected wavelength for future neutral beam injectors – in slight disagreement with theoretical predictions.To reduce the technological requirement on the Fabry-Perot cavity and the laser, we study Landau resonances which appear in the photodetachement spectrum. Locking the laser on one of these resonances would allow increasing the photodetachment probability at a given flux.We also present our phosphorus, selenium and tin electron affinity measurements carried out with the photodetachment microscope. The photodetachment microscopy experiment of phosphorus is the first one where the neutral atom is left in an excited term.

La dérégulation des marchés électriques modifie en profondeur l'approche technico-économique dans l'exploitation et l'optimisation des réseaux électriques. C'est dans ce nouveau contexte que les spécialistes des réseaux électriques se voient confrontés à de nombreux défis. Ainsi, les grands réseaux électriques sont utilisés de plus en plus près de leur limite de stabilité. Cependant, faire fonctionner un réseau trop près de ses limites créer des oscillations de puissance entre les centrales de différentes régions des réseaux. Ces oscillations sont appelées oscillations <

L'objectif de cette thèse était trouver des solutions pour produire de hauts rendements d’ions négatifs (IN) H–/D– sur des surfaces dans des plasmas de H2/D2 sans Cs pour des applications en fusion thermonucléaire. La modélisation des fonctions de distribution en énergie des ions négatifs (FDEIN) a montré un accord remarquable avec l'expérience pour les matériaux carbonés. Une méthode de reconstruction mis au point dans le cadre de cette thèse a permis de déterminer les distributions en énergie et en angle des IN émis de la surface. La méthode de reconstruction peut être appliquée à tout type de surface et/ou d’IN. Une étude de la production des IN en surface a été réalisée sur une grande variété de matériaux (des différents types de graphite, couches de diamant et métaux). L'influence sur le rendement des IN de la température de surface, de la tension de polarisation et du temps d'exposition au plasma a été étudiée. Une méthode de polarisation pulsée a été développée pour permettre l'étude de production des IN sur les surfaces de matériaux isolants tels que le diamant microcristallin non dopé. L'utilisation de diagnostics de surface ex situ tels que la désorption programmée en température (DPT) et la spectroscopie Raman ont permis de caractériser l'état de surface des matériaux carbonés. L’ensemble des études a permis de montrer que pour optimiser le rendement des IN sur le diamant, il faut travailler avec une surface moins dégradée. Celle ci peut être obtenu en augmentant la température de surface jusqu’à 400°C – 500°C ce qui permet de restaurer les propriétés intrinsèques des diamants ou en appliquant une polarisation pulsée. / The objective of this thesis was to find solutions to produce high yields of H–/D– negative ions (NI) on surfaces in Cs-free H2/D2 plasmas for thermonuclear fusion applications. Modeling of the negative-ion energy distribution functions (NIEDF) has shown remarkable agreement with experiment for carbon materials. The reconstruction method developed in the course of this thesis has allowed to determine the distribution in energy and angle of NI emitted from the surface. The reconstruction method can be applied to any type of surface and/or NI. A study was performed on a large variety of materials: different types of graphite, diamond films and metals. The influence of surface temperature, bias and plasma exposure time on NI yield was investigated. The method of pulsed bias was developed to enable the study of NI production on surfaces of insulating materials such as microcrystalline non-doped diamond (MCD). The use of ex situ surface diagnostics such as temperature programmed desorption (TPD) and Raman spectroscopy has allowed to characterize the surface state of carbon materials. Basing on the performed studies, we demonstrated that to optimize the NI yield on diamond one has to work with a less degraded surface. This can be obtained rising the surface temperature to 400°C–500°C which allows restoring intrinsic properties of diamond. The less degraded surface state can also be obtained by applying the pulsed bias which gives the possibility to increase the H2/D2 surface coverage and diminish the defects induced by plasma exposure.

Dans le cadre du projet LIU, vise à augmenter la puissance des injecteurs du LHC, le CERN PS Booster (PSB) sera mis à jour avec un système d'injection d'échange de charge H- et son énergie d'injection sera portée de 50 MeV à 160 MeV pour obtenir la luminosité du faisceau nécessaire pour le LHC High-Luminosity Upgrade. Effets de charge d'espace comme pertes de faisceau et incrément d’émittance transversale à l'injection vont être les principales limites vers la réalisation de la haute luminosité souhaitée. Des études sur la dynamique du faisceau en présence de charge d'espace afin d'évaluer les performances du PSB après la mise à niveau ont été effectuées. La première partie du travail consiste de mesures dans la présente machine, pour étudier les effets de charge d'espace et son interaction avec les résonances et d'avoir un ensemble de données pour le code benchmarking. Le code choisi pour le suivi du faisceau en présence de charge d'espace est PTC-Orbit (et PyOrbit). Les études de convergence numériques nécessaires sont présentées conjointement avec les études de la comparaison des simulations avec les mesures dans la machine. Une fois évalué le code et ses limites, les prévisions pour l'injection dans le PSB à 160 MeV avec des poutres de luminosité élevé sont livrés en termes de pertes de faisceau et incrément d’émittance. Ces études comprennent l'optimisation du point de fonctionnement, la compensation des résonances et/ou la correction de chromaticité en tenant compte des erreurs magnétiques attendus dans la machine. / As part of the LHC Injector Upgrade Project, the CERN PS Booster (PSB) will be upgraded with a H- charge exchange injection system and its injection energy will be raised from 50 MeV to 160 MeV to obtain the beam brightness required for the LHC High-Luminosity Upgrade. Space charge effects like beam losses and transverse emittance blow-up at injection are expected to be the main limitations towards the achievement of the required high brightness. Studies of beam dynamics in presence of space charge in order to evaluate the performances of the PSB after the Upgrade have been performed. The first part of the work consists of measurements in the present machine, to study the effects of space charge and its interplay with resonances and to have a good set of data for code benchmarking. The code chosen for the beam tracking in presence of space charge is PTC-Orbit (and PyOrbit). Necessary numerical convergence studies are presented together with a benchmark with the PSB measurements. Once assessed the code and its limitations, predictions for the 160 MeV injection with high- brightness beams are delivered in terms of beam losses and emittance blow-up. These studies include the optimization of the working-point, resonance compensation and/or chromaticity correction taking into account the expected magnetic errors in the machine.