Contenu:<br />Résumé de l'activité d'enseignement et de recherche du candidat<br />Curriculum Vitae du candidat

La cathode creuse est un élément clef des propulseurs à plasma. Dans un propulseur à plasma, un gaz propulsif est ionisé dans un canal de décharge puis accéléré hors de celui-ci afin de créer la poussée. Dans le propulseur de Hall en particulier, l'ionisation du gaz est provoquée par l'injection dans le canal de décharge d'un intense courant électronique (de quelques ampères à plus d'une centaine d'ampères). L'élément chargé de fournir le courant électronique de la décharge, la cathode creuse, est crucial dans le fonctionnement du propulseur. Or, celle-ci est souvent idéalisée dans les modèles de propulseur et n'est que rarement étudiée pour sa physique propre. Pourtant, le développement de propulseurs de Hall de haute puissance, destinés à terme à équiper l'ensemble des missions spatiales, requiert la mise au point de cathodes capable de délivrer un fort courant (jusqu'à plus de 100 A) sur des durées de l'ordre de la dizaine de milliers d'heures. Or, la mise au point de nouvelles cathodes s'est révélée difficile en raison de l'absence de modèle susceptible de prédire a priori les performances d'une cathode en fonction de sa conception. On se propose ici de mettre en place un modèle prédictif de cathode creuse capable de retranscrire la physique du fonctionnement de la cathode. L'objectif in fine est bien sûr d'utiliser ce modèle afin de faire le lien entre la conception de la cathode et son fonctionnement dans le but de guider le développement de futures cathodes. On présentera tout d'abord brièvement le contexte d'application des cathodes creuses, et on donnera un rapide aperçu du principe de fonctionnement global de la cathode. Ensuite, après avoir effectué un tour d'horizon des différents modèles numériques de cathode creuse préexistants dans la littérature, on détaillera le modèle de la cathode développé ici, qui incorpore une description fluide du plasma, ainsi que des transferts thermiques aux parois, qui conditionnent en grande partie le bon fonctionnement de la cathode. Un soin particulier sera apporté à la validation des résultats de simulation vis-à-vis des mesures expérimentales disponibles dans la littérature, ce qui nous permettra de perfectionner certains points du modèle afin de mieux traduire la réalité physique. En particulier, une modélisation spécifique de la région de transition entre la décharge interne de la cathode et la plume du propulseur sera réalisée. Ce modèle permettra de mettre en évidence certains phénomènes d'instabilité du plasma spécifiques de cette décharge, qui ont été jusqu'ici observés expérimentalement mais jamais pleinement intégrés aux modèles de cathode creuse. A l'aide du modèle validé, on procèdera à l'analyse physique de l'ensemble des phénomènes qui gouvernent le fonctionnement d'une cathode particulière, la cathode NSTAR développée par la NASA au Jet Propulsion Laboratory. Ensuite, on s'appuiera sur le modèle numérique pour comprendre l'impact sur le fonctionnement de la cathode des choix de conception au travers d'une étude paramétrique autour de la cathode NSTAR. Les tendances dégagées nous permettront de formuler des recommandations quant au développement de cathodes de haute puissance. Enfin, dans le but d'illustrer la versatilité du modèle développé, le comportement d'une cathode creuse employant une géométrie alternative à la cathode NSTAR sera également présenté. / A hollow cathode is a critical component of plasma thrusters. In a plasma thruster, a propellant gas is ionized in a discharge chamber and accelerated out of it so as to generate thrust. In Hall thrusters in particular, the ionization of the gas is caused by an intense electron current (from a few to hundred amps) which flows through the discharge chamber. The hollow cathode is the device which is responsible for providing the discharge current. This key element is often idealized in thruster numerical models and its physical behavior is rarely studied for its own sake. Yet, developing high power Hall thrusters, designed to propel in the long run every type of space mission, requires new hollow cathodes able to supply an intense electron current (over 100 A) over a duration on the order of ten thousand hours. So far, designing new cathodes proved difficult because of the lack of model capable of predicting the performance of a cathode based on its design. In this work, we build up a predictive model of a hollow cathode capable of simulating the physics relevant to the operation of the cathode. In the end, we aim at using this model to associate design characteristics of the cathode to key aspects of the cathode performance during operation. Our goal with this model is to guide the development of future high power hollow cathodes. We will first briefly describe the range of application of hollow cathodes related to space propulsion. Then we will give a brief account of the working principles of the cathode and we will set the numerical models available in the literature prior to this one out. The numerical model developed in this work will then be described. It includes a fluid treatment of the plasma as well as an account of the heat fluxes to the walls which largely control the performance of the cathode. Simulation results will be thoroughly compared to experimental measurements available in the literature and specific aspects of the model will be refined to match up simulation results with the physical reality. For instance, a model that specifically represents the transition region between the internal plasma of the cathode and the plume of the cathode will be described. This model will enable us to highlight plasma instability phenomena which were so far observed experimentally, yet never properly included in hollow cathode models. Using the model just developed, we will analyze the physics of a particular hollow cathode which has been developed by NASA at the Jet Propulsion Laboratory, the NSTAR hollow cathode. Then, thanks to the numerical model, we will be able to carry out a parametric study revolving around the design of the NSTAR cathode. This will allow us to bring out the influence of the design on the cathode performance and we will eventually express recommendations regarding the design of future high power cathodes. To conclude, the versatility of the numerical model built up here will also be displayed through simulations of the behavior of a hollow cathode based on an alternate geometry.

L'évolution de la configuration magnétique et de la position du plasma dans un Tokamak peut être modélisée a l'aide d'un système d'équations dérivées partielles dérive de la m.h.d. Le probleme du contrôle de l'évolution, par des courants ou tensions dans les circuits du champ poloidal, est un probleme de contrôle optimal résolu par une technique de lagrangien. Les algorithmes de resolution sont mis en uvre dans le code numérique proteus

Les travaux présentés dans ce mémoire concernent des équations aux dérivées partielles issues de la physique des plasmas ou de la mécanique des fluides. En amont, ils comportent une partie importante de modélisation : approximation de systèmes hyperboliques oscillants, dérivation de systèmes de types Zakharov, modèle Hele-Shaw, modèle de micelles géantes. En aval, ils abordent un certain nombre de problèmes théoriques : existence et unicité des solutions, stabilité/instabilité des ondes solitaires, controle optimal, estimations d'erreur et convergence de modèles. Ils explorent aussi des méthodes numériques de résolution qui ont toutes pour point commun d'utiliser des méthodes de volumes finis ou différences finies sur des grilles cartésiennes en utilisant éventuellement des méthodes de pénalisation.

Afin de décrire l'instabilité de Diffusion Brillouin Stimulée dans un plasma "réaliste", c'est à dire inhomogène et de grande taille, on utilise une méthode basée sur une décomposition des différentes quantités caractérisant le plasma en leur composantes de grandes et de courtes longueurs d'ondes. Cette méthode permet de décrire simultanément et de manière efficace: l'évolution hydrodynamique du plasma, la propagation du faisceau laser, la diffusion Brillouin et la génération des harmoniques de l'onde excitée. Une comparaison en 1D et 2D avec une méthode ne faisant pas cette séparation d'échelles montre que cette décomposition en harmoniques est très efficace numériquement et très fiable. Une confrontation avec des résultats expérimentaux obtenus au Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses montrent un bon accord sur les taux de réflectivité moyens ainsi que sur la localisation des ondes sonores. Une extension de ce modèle fluide pour introduire les effets cinétiques ioniques et leurs conséquences sur la désintégration vers les composantes de grandes longueurs d'ondes est aussi étudiée par des comparaisons avec des simulations PIC-Hybrid (ions particules/électrons fluides).

Plasma turbulence limits the performance of fusion reactors. Measuring and character- izing the turbulence properties is therefore a crucial issue in order to understand such phenomena. The goal of this thesis is to study the properties of plasma turbulence from ultrafast sweeping reflectometry measurements performed on the Tore Supra Tokamak. Reflectometry is a radar technique that is used to measure the electron density and its fluctuations. In the first part, we compare Langmuir probe and reflectometer data and discuss the possibility to characterize turbulence properties from the reconstructed fluctuating density profiles. Then, we show that the radial variation of the time and spatial scales of the turbulence as well as its radial velocity can be estimated from a cross-correlation analysis applied to the raw reflectometer signals. The modifications of the turbulence properties observed during a parametric scan are interpreted in the light of TEM and ITG turbulence. Finally, we show that the additional heating leads to a significant increase of the radial velocity in the plasma close to the tokamak wall.

L'objectif de la fusion par confinement magnétique, et notamment du tokamak, est de produire de l'énergie à partir des réactions de fusion nucléaire, dans un plasma à faible densité et haute température. Expérimentalement, une amélioration de la performance des tokamaks a été observée en présence de rotation toroïdale. Or, les sources extérieurs de quantité de mouvement seront très limitées dans les futurs tokamaks, et notamment ITER. Une compréhension de la physique de la génération intrinsèque de rotation toroïdale permettrait donc de prédire les profils de rotation dans les expériences futures. Parmi les mécanismes envisagés, on s'intéresse ici à la génération de rotation par la turbulence, qui domine le transport de la chaleur dans les tokamaks. Les plasmas de fusion étant faiblement collisionnels, la modélisation de cette turbulence suppose un modèle cinétique décrivant la fonction de distribution des particules dans l'espace des phases à six dimensions (position et vitesse). Cependant, ce modèle peut être réduit à cinq dimensions pour des fréquences inférieures à la fréquence cyclotronique des particules. Le modèle gyrocinétique qui découle de cette approximation est alors accessible avec les ressources numériques actuelles. Les travaux présentés portent sur l'étude du transport de quantité de mouvement toroïdale dans les plasmas de tokamak, dans le cadre du modèle gyrocinétique. Dans un premier temps, nous montrons que ce modèle réduit permet une description précise du transport de quantité de mouvement en dérivant une équation locale de conservation. Cette équation est vérifiée numériquement à l'aide du code gyrocinétique GYSELA. Ensuite, nous montrons comment la turbulence électrostatique peut briser l'axisymétrie du système, générant ainsi de la rotation toroïdale. Un lien fort entre transport de chaleur et transport de quantité de mouvement est mis en évidence, les deux présentant des avalanches à grande échelle. La dynamique du transport turbulent est analysée en détail et, bien que l'estimation standard gyro-Bohm soit vérifiée en moyenne, des phénomènes non-diffusifs sont observés. L'effet des écoulements de bord du plasma sur la rotation toroïdale dans le coeur est étudié en modifiant les conditions aux bords dans le code GYSELA. Enfin, le champ magnétique d'équilibre, qui n'est pas rigoureusement axisymétrique, peut également participer à la génération de rotation toroïdale, via des mécanismes purement collisionnels. Dans un tokamak, cet effet est suffisamment important pour entrer en compétition avec la rotation générée par la turbulence électrostatique.

Aujourd’hui les propulseurs à effet Hall ont gagné une position dominante dans le marché des propulseurs électriques spatiales. Ce grand succès est du surtout à leur simplicité de réalisation (par rapport aux autres typologies des propulseurs) et à leur efficacité (par rapport aux propulseurs chimiques traditionnels). Les propulseurs à effet Hall sont aujourd’hui utilisés sur un très grand nombre des plateformes satellitaires (surtout pour les télécommunications). Les composants principales d’un propulseur à effet Hall sont : le circuit magnétique, le canal plasma, l’anode (placé au fond du canal plasma avec injecteur du gaz) et la cathode (placée à l’extérieur du canal plasma). Le fonctionnement d’un propulseur à effet Hall est basé sur la génération d’un champ électrique axial (généré entre l’anode et la cathode) et d’un champ magnétique radial (perpendiculaires entre eux). Le champ magnétique a le rôle de former une zone de très forte concentration électronique (il emprisonne les électrons générés par la cathode) pour permettre aux atomes neutres du gaz de se ioniser. Le champ électrique a le rôle d’accélérer les ions vers l’extérieur du canal. Cette accélération génère la poussée. Le champ magnétique joue un rôle crucial dans le fonctionnement d’un propulseur à effet Hall. La forme du champ magnétique impacte sur les performances propulsifs et sur l’érosion du propulseurs. La topologie magnétique classique des propulseurs à effet Hall n’a subi presque pas des changements depuis les années de développement de cette technologie parce qu’elle garanti des performances propulsifs assez satisfaisantes. Aujourd’hui, avec les nouvelles exigences propulsifs, il y a une très forte nécessité des moteurs avec une durée de vie plus longue. Des nouvelles topologie magnétique innovante sont proposés aujourd’hui comme par exemple le "Magnetique-Shielding" ou le "Wall-Less" . Ces topologies magnétique bouleverse complètement la topologie magnétique classique (en gardant des performances propulsif satisfaisantes) pour protéger le moteur de l’érosion du plasma. Dans cette thèse une autre approche a été adopté. Nous avons pensé d’utiliser une topologie magnétique classique et de déplacer les parties du circuit magnétique attaquées par l’érosion vers des zones moins dangereuses. Nous avons agit sur la forme du circuit magnétique et pas sur la forme de la topologie magnétique pour garder les même performances propulsifs de la topologie magnétique classique. L’objectif de la thèse était de créer des outils pour le design et l’optimisation des circuits magnétiques des propulseurs à effet Hall. Un algorithme nommé ATOP a été créé dans l’équipe de recherche GREM3 du laboratoire LAPLACE de Toulouse. Cette thèse a contribué à la création de la section d’optimisation paramétrique (ATOPPO) et d’une section d’optimisation topologique basée sur les algorithmes génétiques (ATOPTOga) de l’algorithme ATOP. Les algorithme conçues dans cette thèse permettent d’optimiser des propulseurs existants (en terme de forme, masse et courant) ou de concevoir des nouveaux propulseurs (nécessité de concevoir un nouveau propulseur capable de reproduire une topologie magnétique précise). Les algorithmes développées ont démontrés leur efficacité à travers leur application sur un propulseur réel, le PPS-1350-E® de SAFRAN. Ce propulseur a été optimisé en terme de masse et de courant bobines (minimisation de la masse et du courant bobines). Les algorithmes développés ont démontré donc leur efficacité comme instrument d’optimisation et de design. Ces deux algorithmes ont été utilisé pour le design d’un circuit magnétique innovant qui a comme objectif de réduire l’érosion du moteur. Les résultats de ce processus de design ont amené à la réalisation et à la construction d’un prototype qui possède la même topologie magnétique du propulseur PPS- 1350-E® commercialisé par SAFRAN mais avec une circuit magnétique de forme différente. / Nowadays, two types of space propulsion engines exist: the most common ones are the chemical propulsion engines which provide high thrust impulses allowing fast orbit transfers. But this technology requires a large amount of propellant and is not suitable for interplanetary displacements, whose propellant mass requirements are too high. The second type of propulsion engine is based on electrical propulsion that provide very low but continuous thrust, resulting in huge propellant savings at the cost of longer spacecraft transfer time. The main advantage of electric thrusters lies in their highly efficient utilization of propellant mass. The corresponding reduction in necessary propellant supply makes it possible to board a greater portion of useful payload possible. Hall thruster belongs to the electric spacecraft engines typology and it is constituted of a cylindrical plasma channel, an interior anode, an external cathode and a magnetic circuit that generates a primarily radial magnetic field across the plasma channel. The magnetic circuit of a Hall effect thruster must generate a specific electromagnetic distribution inside and near the outlet of the plasma channel. In a Hall Effect thruster the magnetic circuit constitutes more than half of the whole thruster. Consequently the design of this magnetic circuit must be optimized in order to minimize the embedded mass. The main components of this circuit are the coils which produce the magnetic and ferromagnetic parts which guide the and to shape the density. Usually the magnetic circuit includes four (or more) external coils located around the exterior radius of the plasma channel and one internal coil around the interior radius of the plasma channel. All the coils are supplied by the same DC. Two coils located at the rear of the plasma channel can be also used to perform the magnetic topography. The first objective of the design process of this type of structure is to obtain a specific magnetic topography in the thruster channel with given magnetic field radial component values and a certain inclination of the corresponding field lines. By considering nowadays the requirements in terms of lifetime new specifications concerning in particular the erosion of ceramic wall have to be taken into account.This weakness has its origins in plasma-surface interaction inside the discharge chamber. Thus, to solve this problem it has been proposed to move the ionization zone outside the thruster channel in order to avoid contact between the ions and ceramic material. Thanks to new studies carried on the impact of magnetic topology, new magnetic configurations have been highlighted to improve the efficiency and reduce the erosion of the ceramic walls. The aim of this work is to develop tools for solving this inverse magnetostatic problem and to find new magnetic structures that are able to produce these new magnetic cartographies. Methods based on topological optimization have already been developed for these structures. The algorithm ATOPTO (Algorithm To Optimize Propulsion with Topology Optimization) has already demonstrated its efficiency. In this work we try to extend the scope of the algorithm ATOP by adding a new parametric optimization section called ATOPPO. The ATOP algorithm becomes a very versatile optimization tool for Hall Effect thruster magnetic circuits.

La source d'ions des injecteurs de neutres d'ITER devra produire un fort courant d'ions négatifs de deutérium qui seront accélérés puis neutralisés afin d'obtenir un faisceau d'atomes qui chauffera le plasma thermonucléaire. Un plasma froid d'hydrogène à basse pression et forte puissance est généré par induction dans la source et les ions négatifs sont produits par des réactions en volume et en surface et extraits à travers une série de grilles électrostatiques. Cette thèse est consacrée à la modélisation de ce plasma, afin d'étudier des phénomènes peu abordés à ce jour : aspect hors équilibre des espèces neutres, déplétion et chauffage du gaz, génération et transport des atomes, et génération des ions négatifs sur les parois. Un code fluide bidimensionnel de simulation plasma a pour cela été modifié afin de simuler la cinétique des espèces neutres au moyen d'un module Direct Simulation Monte-Carlo et a été utilisé pour simuler le plasma de manière auto-cohérente. / The ion source of the ITER neutral beam injectors will have to deliver a high current of negative deuterium ions which will be accelerated and neutralized, and the resulting atom beam will heat the thermonuclear plasma. A low pressure and high power cold hydrogen plasma is inductively generated in the source and negative ions are produced by volume and surface reactions and are extracted through a set of electrostatic grids. This thesis aims at modelling this plasma, and focuses on topics that haven't been studied much before : out of equilibrium neutral kinetics, gas heating and depletion, atoms production and transport, and negative ions generation on the walls. To this end, a two-dimensional fluid plasma code has been modified to simulate the neutrals kinetics with a Direct Simulation Monte Carlo module and has been used to perform self-consistent simulations of the plasma.

Cette thèse est centrée sur le développement de modèles numériques pour simuler le comportement physique des plasmas présents dans un réacteur d'implantation ionique à immersion plasma. Ces modèles ont pour but d'estimer l'impact des réglages opérationnels du réacteur sur les paramètres plasma pertinents pour l'implantation, comme le flux ionique sur le substrat et la distribution en énergie des ions. La géométrie complexe du réacteur rend difficile sa modélisation d'un seul tenant, du fait des importants gradients temporels et spatiaux attendus pour les densités ioniques et la température électronique. Une stratégie de simulation en deux étapes a donc été adoptée : - Un modèle quasi-homogène, couplé à un module de chimie en volume élaboré, permet de représenter des deux portions de la source plasma et d'obtenir l'évolution de la composition du plasma en fonction de la puissance radiofréquence injectée. - Un modèle unidimensionnel de type PIC-MC permet de décrire la dynamique de la gaine ionique qui se forme près du substrat du fait du potentiel imposé, ainsi que de déterminer la distribution de l'énergie d'impact des ions et les flux d'implantation correspondants. Au final, ces travaux de recherche ont permis d'aboutir à une meilleure compréhension de l'impact des paramètres opérationnels du réacteur sur le flux ionique et la distribution en énergie des ions arrivant sur le substrat. La connaissance des couplages physiques entre la source plasma et la chambre d'implantation autorise l'optimisation du processus de dopage, puisque les paramètres opérationnels peuvent être réglés de manière à minimiser la profondeur de dopage après implantation. / Numerical models have been developped to simulate the plasma present inside a plasma immersion ion implantation reactor. Their goal is to estimate the impact of the reactor’s settings on the plasma parameters relevant for ion implan-tation. The complex geometry of the reactor renders its modelling difficult, because of the stiff spatial and temporal gradients expected, so a two-step simulation stra-tegy was adopted : – A global model of the plasma source, coupled to a detailed volume chemistry module, allows to determine the time evolution of the plasma composition according to the radio-frequency power injected in the source.– A 1D PIC-MC model of the sheath facing the substrate describes the dyna-mics of the expanding sheath and allows to determine the ion impact energy distribution function and corresponding implantation profiles. Determination of the couplings between the plasma source and the implantation chamber makes possible to optimize the doping process, since the reactor’s opera-tional settings can then be adjusted to minimize the doping depth after implanta-tion.