Characterization and modelling of the secondary electron emission properties under magnetic field for high power RF systems subject to multipactor effect
Description
Space communication payload as well as magnetic confinement fusion devices, among other applications, are affected by multipactor effect. This undesirable phenomenon can appear inside high frequency (HF) components under vacuum and lead to increase the electron density in the vacuum within the system. Multipactor effect can thus disturb the wave signal and trigger local temperature increases or breakdowns, which can cause components deteriorations or even their destruction. This PhD research aims to improve our understanding and the prediction of the multipactor effect. The multipactor phenomenon is a resonant process which can appear above a certain RF power threshold. To determine this power threshold, experimental tests or/and simulations are commonly used. The power threshold is closely related to the electron emission properties of the RF component materials, in particular, to the Total Electron Emission Yield (TEEY). Therefore, we have made a study to evaluate the multipactor power threshold sensitivity to the TEEY. Two particular critical parameters have been found: first cross-over energy and the energies between the first cross-over and the maximum energies. Six TEEY models frequently used in multipactor simulations have been benchmarked with respect to their relevance in modelling these two previous regions of interest of the TEEY. it was found that only one TEEY model is suited to predict accurate multipactor power threshold. In some situations, the HF components are submitted to DC magnetic fields which might affect the electron emission properties and hence the multipactor power threshold. Magnetic fields are generated by the coils and the plasma in a tokamak while for space application we use isolators and circulators which are built with permanent magnets. Current multipactor simulation codes don't take into account the effect of the magnetic field on the TEEY. A new experimental setup specially designed to investigate this effect was developed during this work. We aimed to have experimental conditions closed to RF components actual use. Our new experimental setup and the associated TEEY measurement technique were analysed and optimized thanks to measurements and SPIS simulations. SPIS, for Spacecraft Plasma interaction System, is a PIC code which allows us to simulate plasma-matter interactions and in particular to analyse electron trajectories under uniform magnetic field. We used the setup to study the influence of magnetic field perpendicular to the sample surface on the TEEY of copper. We have demonstrated that the magnetic field affects the copper TEEY, and hence multipactor power threshold. it is clearly established that the magnetic field has to be taken into account on both electron emission properties and multipactor simulation. (author)
Abstract (French)
La fusion nucleaire controlee par confinement magnetique avec les reacteurs de type Tokamaks et les applications spatiales ont en commun d'utiliser des composants Haute-Frequence (HF) sous vide a forte puissance. Ces composants peuvent etre sujets a l'effet multipactor qui augmente la densite electronique dans le vide au sein des systemes, ce qui est susceptible d'induire une degradation des performances des equipements, de deteriorer les composants du systeme et de les rendre partiellement voire totalement inutilisables. Ces recherches consistent a ameliorer la comprehension et la prediction de ces phenomenes. L'effet multipactor depend des proprietes d'emission electronique des materiaux des composants HF. Dans un premier temps nous avons donc realise une etude de sensibilite de l'effet multipactor au rendement d'emission electronique totale (note TEEY). Cette etude a permis de montrer que l'effet multipactor est sensible a des variations d'energies autour de la premiere energie critique et dans la gamme d'energies entre la premiere energie critique et l'energie du maximum. Nous avons aussi compare six modeles d'emission electronique totale usuels, un seul permet d'obtenir des seuils multipactor proches des donnees experimentales. De plus, les composants HF utilises dans les reacteurs Tokamak et dans le domaine du spatial peuvent etre soumis a un champ magnetique continu qui est genere respectivement par les bobines du Tokamak ainsi que le plasma au sein de la chambre du reacteur et par des aimants permanents utilises dans les circulateurs et isolateurs HF. Les etudes multipactor precedentes ne prennent pas en compte l'influence du champ magnetique sur l'emission electronique des materiaux. Nous avons donc developpe un nouveau dispositif experimental afin d'etudier ce phenomene. Le dispositif a ete concu pour realiser des mesures les plus representatives de la situation reelle d'utilisation des composants HF. Le fonctionnement du dispositif et la methode de mesure ont ete analysees et optimisees a l'aide de modelisations numeriques avec le logiciel PIC SPIS (pour Spacecraft Plasma interaction System). Developpe par un consortium ONERA - ESA - Artenum, SPIS permet de simuler les interactions plasma - materiaux et en particulier de determiner les trajectoires electroniques dans un milieu representatif de l'environnement experimental. Une fois que l'utilisation du dispositif a ete optimisee et que le protocole de mesure a ete valide, nous avons etudie l'influence d'un champ magnetique uniforme et continu sur le TEEY du cuivre. Nous avons demontre que le rendement d'emission electronique totale du cuivre est influence par la presence d'un champ magnetique et par consequent egalement l'effet multipactor. Ainsi la presence d'un champ magnetique doit etre prise en compte vis-a-vis de l'emission electronique et lors des calculs predictifs de puissance seuil multipactor. (l'auteur)
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Additional titles
- Original title (French)
- Caracterisation et modelisation des proprietes d'emission electronique sous champ magnetique pour des systemes RF hautes puissances sujets a l'effet multipactor
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 149 p.
- Report number
- FRCEA-TH--9450
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 50054848
- Subject category
- S70: PLASMA PHYSICS AND FUSION TECHNOLOGY;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- COMPUTERIZED SIMULATION; COPPER; ELECTROMAGNETISM; ELECTRON EMISSION; MAGNETIC CONFINEMENT; MAGNETIC FIELDS; P CODES; SILVER; THERMONUCLEAR REACTIONS
- Descriptors DEC
- COMPUTER CODES; CONFINEMENT; ELEMENTS; EMISSION; MAGNETISM; METALS; NUCLEAR REACTIONS; NUCLEOSYNTHESIS; PLASMA CONFINEMENT; SIMULATION; SYNTHESIS; TRANSITION ELEMENTS
Optional Information
- Notes
- 144 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses