Ion beam extraction from neutral plasma : modeling and numerical simulation

Pougeard-Dulimbert, Thierry

HAL, tel-01483017 / Harvested from HAL

Résumé

Cette thèse est consacrée à l'étude et à la simulation numérique de dispositifs d'extraction de faisceaux d'ions. Elle est constituée de deux parties distinctes.La première partie traite d'un dispositif d'extraction d'un faisceau d'ions à partir d'un plasma. La difficulté réside dans la transition entre la zone plasma et le faisceau. Le modèle de plasma consiste en une équation cinétique ionique munie d'un terme source d'ionisation simplifié, couplée à des électrons Boltzmaniens et à l'équation de Poisson pour le potentiel électrostatique. Pour limiter la simulation sur le plasma, très coûteuse, on y définit une frontière émissive fictive. Dans le cas monodimensionnel, la réduction du système à une équation de Poisson non linéaire et l'étude de la limite quasi-neutre donnent les conditions limites sur cette frontière. Les simulations numériques bidimensionnelles utilisent une méthode particulaire de type PIC, l'originalité du travail consistant en la prise en compte des conditions d'injection singulières. Un algorithme de coalescence est développé. Des validations sur des cas réalistes sont proposées.La seconde partie s'intéresse à l'expansion d'un plasma créé par l'impact d'un faisceau d'électrons sur une anode (plasma à spot anodique). Le modèle proposé est constitué des équations de conservation sur les électrons, les ions positifs et les neutres. Un certain nombre d'hypothèse permet de se ramener à un système de cinq équations de conservation. Une perte locale d'hyperbolicité, appelée "résonnance non linéaire", est mise en évidence. La difficulté de la résolution (cas monodimensionnel) réside dans la transition entre la zone de chauffage du plasma par le courant extérieur et la zone de détente du plasma dans le vide. La résonnance non linéaire se traduit par un comportement non physique de la solution. Pour pallier cet inconvénient, la transition est traitée comme une interface, à l'aide de la définition d'un flux numérique original.

Détail

Publié le : 2001-03-27
Classification:  ions beam ,  PIC method ,  hyperbolic system ,  non linear resonance ,  coalescence ,  Système de Vlasov-Poisson,  faisceaux d'ions,  émission sur une frontière artificielle,  code cinétique particulaire,  coalescence,  plasma à spot anodique,  systèmes hyperboliques,  résonances non linéaires,  [MATH.MATH-NA]Mathematics [math]/Numerical Analysis [math.NA]