Conclusion
? A forte température, le taux de couverture est nul et
plus aucun ion négatif n'est créé par le mécanisme
de pulvérisation.
? A basse température le taux de couverture est
important et un grand nombre d'ions négatif est créé par
le mécanisme de pulvérisation.
Chapitre IV Mesures expérimentales
- 77 -
4.5.5 Conclusion :
Le graphe suivant résume d'une manière simple la
forme de la FDI, avec distinction de 3 zones :
Vp - Vs
2 3
1
Fig. 4.31 Schéma type d'un profil
FDEI
? Zone ? : Collision lors du transit vers le
spectromètre de masse.
? Zones ?+ ? : Capture de deux électrons
par un ion incident
? Zone ? : Pulvérisation d'un atome
adsorbé sous forme d'un ion négatif
La courbe FDI est constituée d'un pic principal et
d'une queue. Le mécanisme de capture de deux électrons par un ion
positif nous a permis d'expliquer la distribution ionique au niveau de la
queue. Le même mécanisme a été constaté dans
le cas de deutérium mais avec un meilleur transfert de l'énergie
à la surface.
Le pic principal quant à lui est expliqué par le
mécanisme de pulvérisation par un ion positif incident d'un atome
adsorbé sous forme d'un ion négatif. Ce mécanisme est
majoritairement responsable des ions négatifs créés en
surface.
Chapitre V Conclusion
- 78 -
CHAPITRE V
CONCLUSION
La mise en oeuvre de la fusion thermonucléaire
contrôlée pour la production d'énergie constitue un
thème de recherche à la fois bien défini et très
vaste, il requiert encore considérablement d'effort. Une de nos missions
est d'étudier les interactions des plasmas d'hydrogène avec les
matériaux d'intérêt pour la fusion; mais la
multiplicité des paramètres qui peuvent intervenir ainsi que la
diversité des conditions de fonctionnement du réacteur offrent de
larges perspectives de développement.
Le projet ITER, étape déterminante de
développement technologique, a pour but de contrôler la fusion de
noyaux d'hydrogène afin de produire de l'énergie. Un plasma chaud
d'hydrogène est confiné magnétiquement au coeur de la
machine de fusion (tokamak). Pour chauffer ce plasma on utilise des faisceaux
d'hydrogène atomique H énergétiques produits à
partir de faisceaux d'ions négatifs H- neutralisés.
Le développement de sources d'ions négatifs est
donc primordial pour la fusion. En plasma d'hydrogène, les ions
négatifs H- sont produits en volume mais peuvent également
être produits en surface. Ce phénomène a peu
été étudié dans la communauté plasma c'est
pourquoi nous nous y intéressons.
Le graphite, malgré son défaut d'érosion
suite au flux de chaleur considérable, est un des plus prometteurs
matériaux destinés à être utilisés comme
matériaux de surface. En effet, il peut être source de production
d'ions négatifs par bombardement d'ions positifs H+.
D'où l'importance d'un travail de recherche en amont
qui consiste à produire des ions négatifs, dans un environnement
plasma d'hydrogène, en surface d'un matériau échantillon
en graphite à source sans césium. Cette étude est une des
préoccupations majeures de l'équipe plasma-surface du laboratoire
PIIM. Elle se doit de renforcer et d'étendre sa compréhension sur
les mécanismes de formation des ions négatifs et les
paramètres influençant leurs productions.
Chapitre V Conclusion
- 79 -
A ce titre, quelques notions fondamentales sur la physique des
plasmas et la définition des caractéristiques importantes comme
la température électronique, la longueur de Debye , la
représentation de la gaine (formation d'espace charge, potentiel plasma
et potentiel flottant...) ont été précisées.
A l'aide d'un spectromètre de masse (EQP 300) et de
sondes de langmuir dans le réacteur « PHISIS »,
réacteur plasma radio-fréquence (RF) de type hélicon,
développé par le laboratoire, qui doit amener à mieux
comprendre les problèmes de production de l'énergie par plasma
chaud d'hydrogène, confiné magnétiquement au coeur de la
machine de fusion (tokamak). Notre plasma est excité à basse
énergie, en régime capacitif et inductif, avec deux gaz (D2 et
H2), le deutérium est utilisé pour son effet isotopique.
Le choix des conditions expérimentales a
été guidé par le souci de rester le plus proche possible
des conditions qu'on retrouvera au coeur du réacteur ITER.
Ce dispositif expérimental, par un choix de
paramètres expérimentaux (la pression, la puissance et potentiel
de l'échantillon), nous a permis de mesurer les fonctions de
distributions résolues en énergie (IEDF en anglais) pour des ions
négatifs H- et D-. Nous avons obtenus des spectres qui montrent la
présence de plusieurs mécanismes de création, sur la
surface à partir des neutres ou des ions positifs, et/ou dans le volume
à partir de l'hydrogène. Les résultats exposés ici
constituent une étape d'un long travail, bien entamé par
l'équipe Plasma Surface du laboratoire PIIM.
Les ions négatifs étant créés
à partir des ions positifs, nous avons débuté par une
étude paramétrique des ions positifs présents dans le
plasma. Notre but était de mieux comprendre les mécanismes de
formation et de perte de ces ions, et d'identifier des conditions où un
seul type d'ions domine. En effet, l'étude de la création des
ions négatifs sera facilitée si l'échantillon n'est
bombardé que par un ion donné. Si le facteur puissance a peu
d'influence, par contre la pression joue un rôle essentiel sur la
domination de quelques types d'ions positifs les conditions suivantes ont
été sélectionnées:
0.2Pa et 300W pour une
prépondérance de et
2Pa et 100W pour une prépondérance
de et .
Pour isoler et caractériser l'influence du dernier type
d'ions positifs , nous avons
été amenés à utiliser d'autres
conditions. La méthode choisie était l'utilisation d'un
mélange
- 80 -
Chapitre V Conclusion
Hélium-Hydrogène dans le gaz plasma. L'augmentation
et la domination des ions avec
la présence de l'hélium, sous les conditions
suivantes, a été incontestable.
Mélange gaz : Hélium à 3Pa et
Hydrogène à 0.05Pa, sous une puissance injectée de
1kW,
en présence d'un champ magnétique de 24
Gauss
Mélanger l'hydrogène avec un autre type de gaz
inerte comme l'argon, peut permettre de changer les proportions des ions
hydrogénoides, on peut penser que vu sa masse importante, l'argon peut
encourager le mécanisme de pulvérisation et générer
ainsi un flux d'ions négatifs importants. Pour la puissance, à
une pression de 1Pa, les résultats sont peu différents de ceux
obtenus en hydrogène pur, par contre en rajoutant de l'argon à
0.4Pa, on n'arrive pas à faire dominer un type d'ion, au contraire, on
crée trois populations à peu près équivalente. Il
reste quand même intéressant de poursuivre cette piste pour
mesurer son impact sur les propriétés de production d'ions
négatifs.
Nous nous sommes également attachés à
expliquer les mécanismes possibles de création d'ions
négatifs en surface et de caractériser leurs interactions par le
transfert d'énergie. Les formes des FDI, notamment le profil de la
queue, montre bien le rôle du mécanisme de capture de deux
électrons par un ion positif incident.
Le mécanisme de pulvérisation d'un atome
adsorbé sous forme d'ion négatif pourrait également
rentrer en jeu dans la création des ions négatifs. Ce
mécanisme dépend du taux de couverture de la surface par les
atomes d'hydrogène. Par une astuce simple de chauffage de
l'échantillon vérifie bien la clairvoyance de cet effet. Ainsi,
à forte température on annihile le mécanisme de
pulvérisation et, le pic principal de la FDI montre bien qu'aucun ion
négatif n'a été crée.
La forme typique de la FDI montre qu'on peut diviser en trois
zones :
Zone ? : Collision lors du transit vers le
spectromètre de masse.
Zones ?+ ? : Capture de deux
électrons par un ion incident.
Zone ? : Pulvérisation d'un atome
adsorbé sous forme d'un ion négatif.
Chapitre V Conclusion
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Ce mémoire apporte un ensemble de résultats
originaux attestant l'importance des ions négatifs à
l'équilibre global du plasma (et, on ne peut pas comprendre un plasma
électronégatif en ignorant les ions négatifs), et plus
particulièrement par leurs rôles joués pour
générer des faisceaux de haute énergie de particules
neutres (fusion). Seul, un petit nombre de travaux ont
été publiés et sont généralement
effectués dans des conditions expérimentales
différentes.
Nous estimons que les objectifs visés au début
de ce travail ont été atteint, certains résultats obtenus
doivent être approfondis au moyen d'un appareillage mieux adapté.
Nous pensons par la suite adapter une cage de Faraday et, mesurer ainsi l'effet
sur le flux d'ions Het D-. Poursuivre la manipulation en testant l'influence
d'autres paramètres, notamment les matériaux.
Un effort particulier devra être porté sur la
compréhension des mécanismes de création et de bilan
énergétique qui s'avèrent très complexe. Surtout,
penser plus particulièrement à réaliser des manipulations
à chaud. De ce fait, l'étude et la mise en oeuvre de la fusion
thermonucléaire contrôlée pour la production
d'énergie, constitue un domaine de recherche très ouvert.
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Annexe
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