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Stage M2 – Charge et transport de nanoparticules dans les plasmas collisionnels

Les nanoparticules (NP) peuvent être synthétisées dans une grande variété de plasmas pour des applications industrielles allant du domaine des nanomatériaux/nanotechnologies au domaine de la production/stockage d'énergie.

Leur présence et, plus généralement, la présence de poussières peuvent également être délétères dans les procédés plasma dédiés au dépôt de films ainsi que dans les tokamaks dédiés à la recherche sur la fusion. Dans ce dernier cas, les particules de poussière qui sont produites par l’interaction entre les parois du plasma et du tokamak diminuent les performances attendues en dispersant les impuretés rayonnantes ou en générant des perturbations lorsqu’elles sont déposées sur la partie de la paroi qui reçoit les flux de particules les plus importants. Le but de ce stage est d’améliorer l’expression du mécanisme de charge du NP dans les plasmas de laboratoire collisionnels où l’échange de charge ion-neutre peut être envisagé. Dans une deuxième étape, les forces appliquées aux NP seront trouvées numériquement : la force électrique, les forces de collecte et de traînée ionique de Coulomb et la force thermophorétique. La force résultante renseignera sur l’endroit où les nanoparticules se développent dans le plasma et où elles peuvent être collectées dans le dispositif à plasma. Les recherches préliminaires ont été consacrées à l’étude de la croissance du NP dans les plasmas magnétisés de laboratoire produits entre deux électrodes parallèles, ce qui permet d’aborder la formation du NP dans les régions les plus froides du tokamak. Des décharges sont produites dans le gaz argon à haute pression afin de favoriser les collisions entre les particules. La pulvérisation des cathodes de tungstène (W) par des ions d’argon accélérés dans la gaine de la cathode permet d’injecter en continu des atomes de W dans le plasma. Leur refroidissement par collisions avec le gaz de décharge et leurs collisions mutuelles conduisent à la formation de Wclusters, qui se développent jusqu’à l’apparition des NP [1]. Au cours de ces mécanismes, des mesures spatiales bidimensionnelles (2D) de la densité et de la température du plasma ont déjà été obtenues à l’aide de sondes de Langmuir [2] ainsi que la variation 2D de la température du gaz à l’aide de diagnostics optiques. Ces données seront utilisées par le candidat pour trouver numériquement la variation 2D de la charge de NP et des forces appliquées.

References:

[1] C. Arnas, A. Chami, L. Couedel, T. Acsente, M. Cabié, T. Neisius, Thermal balance of tungsten monocrystalline nanoparticles in high pressure magnetron discharges, Physics of Plasmas 26, 053706 (2019)

[2] A. Chami and C.Arnas, Spatial distributions of plasma parameters in conventional magnetron discharges in presence of nanoparticles, J. Plasma Phys. 86, 905860512 (2020)

Cécile Arnas - Contacter
Equipe Turbulence Plasma (TP)

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19/01/21 - M1

Interaction plasma-surface (expérimental)

Un stage de M1 est disponible au sein de l’équipe « Plasma-Surface » du laboratoire PIIM de l’Université d’Aix-Marseille dans le cadre du tokamak ITER. Le deutérium et le tritium sont le carburant de fusion de ce réacteur expérimental et ces isotopes de l’hydrogène interagissent fréquemment avec la « tuyère d’échappement » que représente le divertor en tungstène d’ITER. Le tritium étant radioactif, il est nécessaire de comprendre les mécanismes microscopiques pouvant mener au piégeage du tritium dans les matériaux en tungstène.