Dans un propulseur à courant de Hall, la création des ions et leur accélération sont régis par le même phénomène physique. L'idée du propulseur de Hall double étage (DSHT) est de découpler l'ionisation du gaz (poussée) et l'accélération des ions (ISP), de sorte à rendre le système davantage versatile. Les travaux menés durant cette thèse visent à démontrer, grâce à des essais expérimentaux, la pertinence et la faisabilité d'un tel concept. Dans un premier temps, un prototype de DSHT, baptisé ID-HALL, a été conçu et assemblé. Il est constitué d'une source inductive magnétisée insérée dans un tube en céramique et d'un étage d'accélération identique à une barrière magnétique de propulseur simple étage. La source inductive a été optimisée de sorte à réduire le couplage capacitif et à maximiser l'efficacité du transfert de puissance par ajout de pièces en ferrite et diminution de la fréquence RF d'excitation. Dans un deuxième temps, la source inductive du propulseur a été caractérisée indépendamment du propulseur en argon et xénon pour différentes pressions. Le dispositif expérimental a permis notamment de tracer une cartographie 2D de la densité et de la température. Enfin, le propulseur a été monté dans son caisson et des mesures préliminaires (caractéristiques courant-tension, mesures par sonde RPA) ont été menées. En parallèle, des simulations utilisant un modèle hybride 2D ont été effectuées en mode simple et double étage. Elles mettent en évidence un fonctionnement versatile du moteur pour des tensions inférieures à 150 V. A terme, on visera à démontrer que la densité de courant et l'énergie des ions peuvent être, dans certaines conditions, significativement découplées. / In Hall thrusters, the same physical phenomenon is used both to generate the plasma and to accelerate ions. Furthermore, only a single operating point is experimentally observed. The double stage Hall thruster (DSHT) design could allow a separate control of ionization (thrust) and ions acceleration (ISP) to make the system more versatile. The work carried out during this PhD aims to experimentally demonstrate the relevance and the feasibility of this concept. Firstly, a new design of DSHT, called ID-HALL, was proposed and a new prototype was built. It combines the concentric cylinder configuration of a single stage Hall thruster with a magnetized inductively coupled RF plasma source (ICP) whose coil is placed inside the inner cylinder. The ICP source was improved in terms of power coupling efficiency by adding ferrite parts and by decreasing the heating RF frequency. The ICP source used in the ID-HALL thruster was then characterized independently of the thruster using argon and xenon and varying pressure. The experimental setup has allowed to measure the spatial variations of the electron density and temperature. Finally, the thruster was mounted in its vacuum chamber and preliminary measures (voltage-current characteristics, RPA measurements) were led. At the same time, simulations using a two-dimensional hybrid model were performed in single and double stage. A versatile operation for voltages lower than 150 V was highlighted. An emphasis will be given to demonstrate that the current density (given by the ion flux probe) and the ions energy (given by the RPA) might be significantly decoupled.

Cette thèse porte sur l'étude expérimentale de la production d’ions négatifs (H-) par des sources multi-dipolaires microondes (2.45 GHz) fonctionnant à la Résonance Cyclotron des Electrons (RCE). Les sources H- sont nécessaires aux accélérateurs de haute énergie et surtout pour les systèmes d’injection de neutres à haute énergie pour le chauffage des plasmas de fusion. Pour cette étude, deux sources (Prometheus I et ROSAE III) ont été conçues, fabriquées et étudiées. Ces deux sources sont munies de réseaux 2D des sources multi-dipolaires. Il est prouvé que la formation des ions négatifs dans ces sources d'ions, est dû à un mécanisme de production en volume : l'attachement dissociatif des électrons de faible énergie sur des molécules ro-vibrationallement excitées. Contrairement aux sources impliquant des réactions de surface, la production en volume a l’avantage de fonctionner sans césium. Une étude détaillée des principes fondamentaux de la production de H- est réalisée, et les voies possibles pour d'optimisation sont explorées au moyen de : sondes électrostatiques, photodetachment laser, spectroscopie d'émission optique dans la région spectrale du visible et de l'ultraviolet du vide et finalement par spectroscopie d'absorption et de fluorescence induite dans la région spectral de l'ultraviolet du vide en utilisant radiation synchrotron dans un montage expérimental spécial (SCHEME). Analytiquement:La source "Prometheus I" est d'abord étudiée en détails, dans une large gamme de conditions expérimentales (par exemple, pression, puissance, position des zones RCE). Cette étude souligne l’efficacité de production des ions H- en volume, et dévoile une fenêtre de fonctionnement optimal et des voies d'optimisation pour atteindre de plus fortes densités d'ions H-. La contribution du processus d'attachement dissociatif et de l'ionisation résonnante des neutres, à la production H- pour cette source ont été évaluée et la prépondérance de la première finalement confirmée par un modèle rendant compte du bilan des créations et pertes d’espèces.En raison de l'importance des molécules ro-vibrationnallement excitées lors du processus d'attachement dissociatif, l'étude se concentre sur leurs réactions de formation. Deux réactions de formation sont étudiées par des expériences dédiées : la désorption recombinative des atomes d'hydrogène à la surface de divers matériaux ("ROSAE III" et "SCHEME") et l'excitation par impact d'électrons à travers les états singulets temporaires ("Prometheus I"). L'étude de la désorption recombinative a été appréhendée de deux façons différentes. Avec la source ROSAE III, l'impact indirect du processus pour la production d'ions négatifs, à travers la formation de molécules ro-vibrationnellement excitées, a été évaluée dans les plasmas RCE. Dans la deuxième approche, la source "SCHEME" a été conçue pour l'étude de la désorption recombinative des atomes en utilisant le rayonnement synchrotron. La formation des états vibrationnels suite à l’excitation des états singulets, dans la source "Prometheus I" a été étudiée par des mesures d'émission de l'ultraviolet du vide.Une étude qui combine la spectroscopie d'émission de l'ultraviolet du vide, le photodétachement et la caractérisation de la cinétique des électrons par sondes électrostatiques, a permis l'identification des facteurs qui limitent la production d'ions négatifs dans le plasma RCE de "Prometheus I". Des perspectives pour surmonter ces limitations sont finalement proposées. / The present PhD thesis is devoted to the experimental study of hydrogen negative ion (H-) production in microwave-driven (2.45 GHz) multi-dipolar Electron Cyclotron Resonance (ECR) plasma sources. H- sources are required in high-energy accelerators and more importantly in neutral beam injection systems for fusion plasma heating. Towards this directions, two sources (namely, "Prometheus I" and "ROSAE III") are designed, fabricated and studied. Both sources are driven by 2D networks of dipolar ECR elementary sources. It is proven that, negative ion formation in these ion sources is governed by the volume production mechanism, which mostly refers to the dissociative attachment of low energy electrons to vibrationally excited molecules. Contrary to the so called surface sources, volume production sources have the advantage of cesium-free operation. Extended experimental study on fundamental principles of H- production is realized, and possible ways for potential source optimization are tested by means of: electrostatic probes, laser photodetachment, optical emission spectroscopy, both in the visible and vacuum ultra-violet spectral range and finally, vacuum-ultraviolet absorption and induced fluorescence spectroscopy using synchrotron radiation in a specially designed setup ("SCHEME"). Analytically:The source "Prometheus I" is initially studied in detail (EEDF, H- density, optical emission spectra etc), under a wide range of experimental conditions (e.g., pressure, power, ECR-zone location), proving its efficiency for H- volume production, and unveiling optimum operational window and paths for obtaining higher H- densities. The contribution of the dissociative attachment process and neutral resonant ionization to H- production in this source, is evaluated, and the dominance of the former is finally confirmed by an equilibrium model.Due to the importance of the ro-vibrationally excited molecules to the dissociative attachment process, the study is focused on their formation reactions. Two formation reactions are considered by adequately adapted experiments: the recombinative desorption of hydrogen atoms on the surface of various materials (ROSAE III and SCHEME) and the electron impact excitation through temporary singlet states (Prometheus I). The study of recombinative desorption is approached in two different ways. With the source ROSAE III, the indirect impact of the process to the production of negative ions, through the formation of ro-vibrationally excited molecules, is evaluated in ECR plasmas. In the second approach, the source SCHEME is designed for the independent investigation of the recombinative desorption of unexcited atoms using synchrotron radiation based diagnostics. The formation of vibrational states through singlet excitation in the source "Prometheus I" is studied by vacuum-ultraviolet emission measurements.A study that combined vacuum-ultraviolet emission spectroscopy, photodetachment and the characterization of electron kinetics with electrostatic probes, allowed the identification of the factors that limit negative ion production in the ECR plasma of "Prometheus I". Perspectives for overcoming these limitations are finally proposed.

PEGASES est un propulseur à grilles qui accélère à la fois des ions positifs et des ions négatifs pour la poussée. Il nécessite la création d'un plasma ion-ion afin de permettre l'extraction des ions négatifs. Pour obtenir un taux d'ionisation et un taux d'attachement efficaces, le plasma doit être composé de deux températures électroniques : une température élevée pour créer les ions positifs et une faible pour créer les ions négatifs. Ce plasma ion-ion est créé au moyen d'un filtre magnétique qui permet le refroidissement des électrons et qui ralentit leur diffusion. Avec cette méthode, on obtient une forte température électronique près de la zone d'ionisation, avant le maximum de champ magnétique, et une température faible dans la région en aval du filtre magnétique. Plusieurs problèmes se posent alors i) le plasma est excité à la RadioFréquence (RF), celle-ci est susceptible de créer des fluctuations RF du potentiel plasma importantes rendant les mesures de sondes difficiles, ii) les mesures électrostatiques dans les plasmas magnétisés sont rendues difficiles à cause de l'anisotropie des électrons dans un champ magnétique et iii) pour les mesures en plasma ion-ion (caractéristiques courant-tension symétriques) peu de théories existent pour extraire les paramètres plasmas dans nos régime de pressions. Deux diagnostics électrostatiques et un modèle pour extraire les paramètres plasmas dans les plasmas électronégatifs ont été mis au point pendant ma thèse au LPP. Le premier diagnostic est une sonde flottante capacitive permettant la mesure des fluctuations RF du potentiel plasma. Avec ces mesures, la source de PEGASES a été ajustée pour diminuer ces fluctuations. Le second diagnostic est une sonde de Langmuir adaptée pour faire des mesures dans les plasmas électronégatifs magnétisés. Le haut taux de gravure du gaz électronégatif utilisé ainsi que l'anisotropie électronique créée par le champ magnétique impose certaines contraintes sur les matériaux et les dimensions de la sonde de Langmuir. Le modèle reproduit les caractéristiques de sonde de Langmuir dans les plasmas électronégatifs supposant des distributions de Boltzmann. Depuis les courbes I-V mesurées et une procédure d'ajustement de courbe intégrée au modèle analytique il est possible de mesurer i) les températures et les densités des électrons et des ions positifs et négatifs pour les plasmas fortement électronégatifs ($n_-/ n_e>50$), et ii) la température des électrons et les densités des ions positifs et négatifs pour les plasma faiblement électronégatifs ($n_-/ n_e<50$). Ces diagnostics nous ont permis d'étudier l'effet de différents champs magnétiques sur un plasma électropositif et électonégatif. Dans le premier cas, nous avons montré que seul le gradient positif du champ magnétique induit une diminution de la température électronique, le minimum de température électronique est ainsi obtenu au maximum du champ magnétique. Ce minimum de température peut être contrôlé grâce à l'intensité du champ magnétique alors que la pression contrôle la température en amont du filtre. Lorsque qu'un gaz électronégatif est utilisé, un plasma ion-ion est créé environ 1 cm après le maximum de champ magnétique. Les densités d'ions sont relativement constantes au travers du filtre magnétique alors que la densité électronique chute de 3 ordres de grandeur. Contrairement aux plasmas électropositifs où le minimum de température électronique est obtenu au maximum de champ magnétique, la formation du plasma ion-ion est contrôlée par la pression et le ratio de SF6 dans le mélange. Un modèle simple basé sur la mesure des densités et des températures des ions a permis d'évaluer l'efficacité de PEGASES à $T=25$~mN.kW$^{-1}$ et $I_{\rm{sp}}=3790$~s, qui est dix fois moins pour une surface d'éjection quatre fois plus petite que le propulseur ionique à grille T6 de chez QinetiQ qui va propulser la mission Bepi-Colombo.

La propulsion électrique est à un tournant de son histoire. La récente mise en oeuvre de satellites de télécommunication "tout-électrique" se traduit par l’ouverture d’un nouveau marché, et par une évolution des besoins opérationnels. L’identification de ces nouvelles missions nécessite l’amélioration des performances de nos moteurs. La première partie de ces travaux rapporte l’utilisation d’un outil de spectroscopie laser destiné à caractériser la distribution en vitesse des ions. Les différentes méthodes de calcul du champ électrique dans les propulseurs de Hall ont été exposées. Deux instabilités ioniques ont été observées et analysées. Les sources d’erreurs liées aux mesures par sondes électrostatiques ont été analysées, et un exemple de sonde plane étudié. Une analyse paramétrique de l’influence des paramètres de champ magnétique sur les performances des propulseurs de Hall a été conduite. Le concept de moteur "sans parois" est présenté. L’identification de ce concept constitue une avancée porteuse de promesses pour l’avenir de la propulsion électrique. / Electric propulsion is facing new challenges. Recently, the launch of "all-electric" satellites has marked the debut of a new era. Going all-electric now appears as an interesting alternative to conventional systems for telecom operators. A laser spectroscopy technique was used during this research to investigate the ion velocity distribution dynamics. The different methods for determining the electric field in Hall thrusters were exposed. Two unstable ion regimes were identified and examined. Measurement uncertainties using electrostatic probes were assessed. Planar probed have been designed and tested. A thorough investigation of the influence of the magnetic field parameters on the performance of Hall thrusters was performed. The wall-less Hall thruster design was presented, and preliminary experiments have revealed its interest for the electric propulsion community.