Dans cette thèse, nous avons utilisé et adapté un modèle 2D axisymétrique de plasma magnétisé afin d’étudier le plasma généré par une source EHIS (End-Hall Ion Source). Dans ce modèle, les espèces lourdes (Ar et Ar+) sont décrites de façon particulaire, tandis que les électrons sont représentés comme un fluide dont le transport est gouverné par les trois premiers moments de l’équation de Boltzmann. Les électrons sont supposés en équilibre de Boltzmann le long des lignes de champ magnétique et le plasma est supposé quasi-neutre. Du fait de cette dernière hypothèse, le champ électrique est obtenu à partir d’une relation de conservation de courant et non en résolvant l’équation de Poisson.
Malgré sa (relative) simplicité, ce modèle nous a permis de comprendre plusieurs aspects du fonctionnement des sources EHIS qui étaient jusqu’à présent assez obscurs. Nous avons pu à la fois, améliorer notre compréhension qualitative de cette source et obtenir des informations quantitatives utiles sur l’influence de tel ou tel paramètre sur son fonctionnement. Il faut sans doute insister sur le fait qu’il s’agit du premier travail publié qui permette une description quantitative fine du plasma d’une source EHIS. Toutes les questions n’ont évidemment pas été résolues mais cette étude a certainement contribué à poser les « bonnes questions » tant sur le plan de la compréhension de la source que sur celui de la validité du modèle.
Les conclusions importantes que l’on peut tirer de ce travail sont listées ci-dessous. 1) En raison de la configuration géométrique de la source, de la distribution du champ
magnétique (anode conique et lignes de champ magnétique parallèles à la surface conique de l’anode) et la distribution des paramètres plasma la mobilité électronique est fortement réduite dans une couche le long de la surface anodique. Il en résulte, pour assurer la continuité du courant, une augmentation du champ électrique dans cette région. Ceci contribue à la création d’un puits de potentiel conique qui extrait les ions de la source et est à l’origine du faisceau d’ions.
2) Les électrons sont accélérés vers l’anode par le champ électrique élevé au sein du plasma entre la cathode et l’anode et la création de paires électron-ion par ionisation est donc plus importante près de l’anode et notamment près de l’injecteur (au fond de l’anode) où la densité de gaz est plus grande. La plus grande partie des ions est donc générée dans cette région, ce qui explique la forme de la distribution énergétique des ions présentant un pic marqué à une énergie proche de la tension de décharge. La distribution énergétique des ions présente, en accord qualitatif avec les mesures, un second groupe à basse énergie. Ce second groupe est attribué par le modèle aux collisions d’échange de charge qui se produisent en majorité dans et au voisinage du pic de densité ionique (à ~3mm du diffuseur et dans l’axe de symétrie).
3) La gaine anodique ne peut pas être décrite par le modèle en raison de l’hypothèse de quasi-neutralité. On peut cependant déduire des résultats que le potentiel du plasma varie de façon importante le long de l’anode. Il est supérieur au potentiel d’anode au fond le l’anode et devient inférieur à celui-ci près de la sortie du cône anodique.
4) Les ions créés au voisinage de l’anode et près de l’injecteur ont des trajectoires complexes car ils descendent le puits de potentiel et peuvent être réfléchis par la paroi opposée du puits. Après une ou plusieurs oscillations dans le puits les ions sont finalement extraits de la source et la divergence du faisceau est bien évidemment associée à la forme conique du puits de potentiel.
5) Les résultats du modèle montrent que la distribution énergétique et angulaire des ions est sensible à la position du point où sont émis les électrons par la cathode. En particulier, si ce point est suffisamment excentré, le potentiel au fond du puits doit remonter entre ce point et l’axe de la source de façon à assurer la quasi-neutralité du plasma. Ceci semble avoir des conséquences importantes sur la distribution angulaire des ions. Une tentative rapide de mesure de la distribution ionique en fonction de la position de la cathode a été faite et est présentée en annexe. Elle n’est cependant pas vraiment concluante et ce point reste à confirmer expérimentalement.
6) Comme la distribution du potentiel plasma est obtenue à partir d’une relation de conservation de courant et que le courant d’électrons collecté par les parois en contact avec le plasma dépend de la nature électrique (conductrice/diélectrique) de ces parois, nous avons étudié l’influence de la nature de ces parois sur la distribution de potentiel plasma. Nos résultats montrent, pour un choix de paramètres donné, que la tension de décharge est plus élevée lorsque les parois du caisson à vide sont conductrices. Une tentative rapide de mesure de la distribution ionique en fonction de la position de la cathode a été faite, les résultats obtenus confirment les prédictions du modèle.
7) Les atomes rapides issus de l’échange de charge sont générés essentiellement dans et au voisinage du pic de densité ionique situé à ~3mm du diffuseur et dans l’axe de symétrie. La distribution du flux d’atomes rapides est constituée d’une première population centrée autour d’une énergie qui correspond à la tension de décharge. Les atomes de cette population proviennent des collisions échange de charge d’ions rapides avec des atomes thermiques. On distingue aussi une seconde population d’atomes rapides à basse énergie, ces atomes proviennent des collisions échange de charge d’ions à basse énergie avec des atomes thermiques ainsi que des collisions élastiques entre atomes rapides à basse énergie et atomes thermiques.
8) Dans les conditions considérées (courants de l’ordre de l’ampère, et débit d’argon de l’ordre de 0.5 mg/s), la densité du plasma dans la source atteint des valeurs de l’ordre de 1018 m-3 à l’intérieur de la source et de l’ordre de à 10 cm de la source. La densité de gaz chute de 1020 m-3 dans la région d’injection à moins de 1019 m-3 dans la région du plan de sortie du cône. La fraction du débit d’argon ionisé varie de 10% à 90% suivant les conditions.
Ce travail a également soulevé un certains nombre de questions qui ne sont pas définitivement résolues et qui demanderaient un travail complémentaire. Ces questions sont listées ci- dessous.
1) Les résultats du modèle montrent que le transport électronique à travers les lignes de champ magnétique a lieu non seulement dans la source mais également à l’extérieur de celle-ci. Ceci a tendance à diminuer le confinement électronique, et c’est la raison pour laquelle, contrairement au cas des propulseurs à effet Hall (dans lesquels la surface de
de la source. Cependant il s’est avéré que, d’une part que la description du plasma à l’extérieur de la source n’est pas totalement satisfaisante (voir ci-dessous), et d’autre part que la prise en compte d’un coefficient de transport anomal permet de retrouver un rapport entre courant de faisceau et courant de décharge plus en rapport avec les mesures (de l’ordre de 30%, au lieu de 60% dans le modèle en l’absence de transport anormal) 2) La principale limite du modèle mise en évidence dans cette étude est le fait que la
caractéristique courant-tension calculée soit dépendante de la taille du domaine de simulation. Cette caractéristique est raisonnablement proche des mesures pour des « petits » domaines de simulations (de l’ordre de 20 cm de long et 10 cm de rayon) et devient irréaliste pour des grands domaines. En effet, la tension de décharge est quasiment-constante pour plusieurs courants de décharge, ce comportement correspond au comportement d’une source EHIS sans déplétion de neutres. Ceci peut être lié au fait que la déplétion du gaz due à la présence du plasma n’est pas bien décrite par notre modèle, particulièrement loin de la source à cause du faible taux d’ionisation dans cette région, alors que l’ionisation cause un abaissement de 50% de la densité de neutre dans son voisinage immédiat de la source. Une autre raison que l’on peut invoquer est une mauvaise description de la température électronique le long des lignes de champ magnétique. Ces deux points seraient donc à améliorer dans le cadre d’une extension de cette étude.