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Modélisation d’une décharge ICP d’un plasma d’hélium.

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André-Hoffman, Augustin (2021). Modélisation d’une décharge ICP d’un plasma d’hélium. Mémoire. Québec, Maîtrise en sciences de l’énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 68 p.

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Résumé

La polarisation de l’hélium-3 (³He) est un processus utile dans certaines applications mais qui est difficile à réaliser et que nous ne comprenons pas encore complètement. L’étude de la modélisation d’une décharge de plasma d’hélium avait donc pour visée de mieux comprendre les réactions qui ont lieu au cours de la décharge pour avoir les connaissances nécessaires à l’analyse de la polarisation par effet MEOP (Metastability Exchange Optical Pumping) du gaz. La première partie de ce mémoire s’attarde sur la méthode que nous avons utilisée pour calculer la polarisation de l’hélium. Le programme BOD (pour solveur Boltzmann 0 Dimension) écrit par Jonathan CLAUSTRE et al. à l’INRS dans un ancien projet avec François VIDAL et Jean-Pierre MATTE [5] nous permet d’obtenir le suivi temporel des densités des sous-états de l’hélium. Nous utilisons ensuite ces données dans un modèle de taux écrit par François VIDAL qui calcule la polarisation du gaz en résolvant les équations de polarisation données par NACHER et al. [15]. Pour déterminer le régime de puissance auquel la simulation est réalisée et entrer ces conditions initiales dans BOD, nous utilisons le programme Plasmasim, un modèle fluide qui décrit la décharge dans une géométrie 2D axisymétrique et qui est écrit par Gerjan HAGELAAR. Il nous permet de trouver une valeur seuil avant extinction de la puissance absorbée par le plasma afin d’avoir des conditions expérimentales similaires à NACHER et al. [14, 15] et que nous puissions comparer les résultats. Nous profitons aussi de l’utilisation de Plasmasim pour valider l’approche "0 dimension" de BOD. Dans la seconde partie, nous nous intéressons aux différents modes de couplage de la puissance de notre décharge ICP (Inductively Coupled Plasma). Le couplage capacitif étant généralement négligé dans les modèles de décharge inductive, nous avons cherché à vérifier avec Plamsasim que cette approximation était valable. D’autant que dans le régime de puissance défini par NACHER et al. [14, 15], à savoir proche de l’extinction de la décharge, c’est ce même couplage capacitif qui a été remarqué expérimentalement comme fortement présent. Nous étudions aussi l’impact des variations spatiales du domaine (nombre de spires de la bobine, emplacement des spires autour de l’enceinte du plasma). En conclusion, ce mémoire présente une méthode fonctionnelle pour la modélisation de la polarisation de l’hélium-3, ainsi qu’une validation de certaines hypothèses généralement admises comme, entre autres, la négligeabilité du couplage capacitif dans le cas de nos conditions initiales et pour l’observation des densités.

Abstract

The polarization of helium-3 (³He) is a useful process in some applications, but it is difficult to perform and is not yet fully understood. The study of the modeling of a helium plasma discharge was therefore aimed at better understanding the reactions that take place during the discharge to have the necessary knowledge to analyze the polarization by MEOP (Metastability Exchange Optical Pumping) effect of the gas. The first part of this memoir focuses on the method we used to calculate the polarization of helium. The program BOD (for Boltzmann 0 Dimension solver) written by Jonathan CLAUSTRE et al. at INRS in a former project with François VIDAL and Jean-Pierre MATTE [5] allows us to obtain the time tracking of the helium substate densities. We then use these data in a rate model written by François VIDAL which calculates the polarization of the gas by solving the polarization equations given by NACHER et al [15]. To determine the power regime at which the simulation is performed and to enter these initial conditions into BOD, we use the program Plasmasim, a fluid model which describes the discharge in an axisymmetric 2D geometry and which is written by Gerjan HAGELAAR. It allows us to find a threshold value before extinction of the power absorbed by the plasma in order to have experimental conditions similar to NACHER et al [14, 15] and to compare the results. We also take advantage of the use of Plasmasim to validate the "0 dimension" approach of BOD. In the second part, we focus on the different power coupling modes of our ICP (Inductively Coupled Plasma) discharge. The capacitive coupling being generally neglected in inductive discharge models, we tried to verify with Plamsasim that this approximation was valid. Especially since in the power regime defined by NACHER et al [14, 15], i.e. close to the extinction of the discharge, it is this same capacitive coupling that has been experimentally noticed as strongly present. We also study the impact of spatial variations of the domain (number of turns of the coil, location of the turns around the plasma enclosure). In conclusion, this memoir presents a functional method for the modeling of helium-3 polarization, as well as a validation of some generally accepted assumptions such as the negligibility of the capacitive coupling in the case of our initial conditions and for the observation of densities.

Type de document: Thèse Mémoire
Directeur de mémoire/thèse: Vidal, François
Co-directeurs de mémoire/thèse: Matte, Jean-Pierre; Hagelaar, Gerjan
Mots-clés libres: décharge ICP; hélium; polarisation; MEOP; couplage capacitif; ICP discharge; helium; polarization; capacitive coupling
Centre: Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt: 04 mars 2022 16:38
Dernière modification: 15 mars 2022 20:28
URI: https://espace.inrs.ca/id/eprint/12467

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