Rôle des gaines dans les interactions plasma-surfaces : applications aux arcs unipolaires, au nettoyage de miroirs et pour le chauffage des plasmas. – SHEAR

Les gaines plasma, zones d’espace chargées situées à la transition entre un plasma et un objet qui y est plongé, ont un rôle déterminant dans les processus d’interaction plasma-surface. Si les mécanismes des gaines sont bien connus dans les plasmas non magnétisés, y compris dans les plasmas radiofréquences (RF), il n'existe pas à ce jour de modèle universel pour les gaines dans des champs magnétiques inclinés, notamment avec une source RF. Le projet SHEAR vise principalement à développer et valider de tels modèles, en s'appuyant sur la comparaison entre des simulations et des mesures hautement résolues dans des équipements de laboratoire dédiés.

Les problèmes soulevés par les gaines et par l'établissement du potentiel plasma dans des plasmas magnétisés sont cruciaux pour comprendre de nombreux phénomènes non linéaires rencontrés, entre autres, dans les plasmas confinés, l'accélération de particules, les flux énergétiques localisés ou les barrières de transport. On peut ici mentionner un large éventail d'applications allant du laboratoire à l'espace, comme l'accélération des ions dans les propulseurs à plasma, l'accumulation de charges électriques sur les satellites, ou le chauffage additionnel des plasmas de fusion thermonucléaire. En ce qui concerne plus particulièrement les plasmas RF magnétisés, les enjeux concernent de nombreuses applications basées sur des plasmas relativement denses, comme par exemple les procédés de gravure en plasma magnétisé ("magnetically enhanced reactive ion etching"), les dépôts assistés par plasma (PIAD) ou le contrôle des impuretés dans les plasmas de fusion nucléaire...

Le projet SHEAR s'appuie sur un consortium constitué de 3 partenaires académiques : l'institut Jean Lamour (Université de Lorraine, France), le département de physique de l'Université de Bâle (Suisse) et le Swiss Plasma Center (EPFL, Suisse). Les simulations conduites par les partenaires français feront l'objet d'une comparaison croisée avec des mesures réalisées dans différentes configurations magnétiques, variant angle d'incidence et intensité (entre 0 et 3.5 Teslas), dans différents équipements des 3 partenaires. Des simulations spécifiques auront en outre pour but d'améliorer l'interprétation des mesures par sondes, qui seront également croisées avec des mesures optiques. Ainsi, la physique des diagnostics "plasma" occupe une place centrale dans le projet SHEAR.

Le programme de travail du projet est découpé en 5 axes scientifiques associant chacun des approches théoriques, expérimentales, et des travaux de modélisation. Le premier axe vise principalement à développer des modèles précis d'interprétation pour les mesures par sondes en plasma RF magnétisé. Le second axe est centré sur la description du couplage entre l'onde RF et un plasma magnétisé. Le troisième axe a pour objectif de comprendre les motifs des flux de particules et de chaleur sur une surface matérielle plongée dans un tel plasma, dans l'optique de contrôler ces flux pour diverses applications. Le quatrième axe se concentre spécifiquement sur l'amélioration de l'efficacité de l'une de ces applications, qui est le nettoyage des miroirs dans les réacteurs à fusion nucléaire. Enfin, le dernier axe est dédié à la compréhension de l'influence des propriétés de surface et des conditions de plasma sur le déclenchement et la dynamique des arcs unipolaires, afin d'être en mesure de les supprimer ou de mieux les réguler dans différentes applications.