Strongly emissive plasma-facing material under space-charge limited regime: Application to emissive probes - Université de Lorraine Access content directly
Journal Articles Physics of Plasmas Year : 2017

Strongly emissive plasma-facing material under space-charge limited regime: Application to emissive probes

Surface fortement émissive face au plasma en régime limité par charge d'espace : application aux sondes émissives

Jordan Cavalier
Nicolas Lemoine
Guillaume Bousselin
  • Function : Author
  • PersonId : 772269
  • IdRef : 177199660
Nicolas Plihon
Jordan Ledig

Abstract

A quasi-static theoretical 1D model is developed to describe the sheath structure of a strongly emissive plasma-facing material and is subsequently applied to emissive probes experimental data-which are usually supposed to be an efficient tool to directly measure plasma potential fluctuations. The model is derived following the space-charge limited emission current model developed in [S. Takamura, N. Ohno, M.Y. Ye, and T. Kuwabara. Contribution to Plasma Physics, 44(1-3):126–137, 2004.], adding the contribution of secondary emission due to back-diffusion of plasma electrons at the emitting surface. From this theory, current-voltage characteristics of emissive probes are derived. A theoretical relation between the floating potential of an emissive probe and plasma parameters is obtained and a criterion is derived to determine the threshold between thermoemission limited current regime and space-charge limited current regime. In the space-charge limited regime, a first order expansion is then applied to the quasi-static relation to study the effect of plasma fluctuations on emissive probe measurements. Both the mean values and the fluctuations of the floating potential of an emissive probe predicted by the model, as well as the potential value at which the transition between emission current regimes occurs, are compared to three sets of experimental data obtained in two different plasma devices. 2
Un modèle 1D quasi-statique est dérivé pour décrire la structure de la gaine d'une surface fortement émissive face à un plasma. Ce modèle est ensuite confronté à des données expérimentales comprenant des signaux de sondes émissives, qui sont supposées être un instrument efficace pour mesurer directement les fluctuations du potentiel électrique du plasma (potentiel plasma). Ce modèle est obtenu en suivant la démarche développé par l'équipe de Takamura [S. Takamura, N. Ohno, M.Y. Ye, and T. Kuwabara. Contribution to Plasma Physics, 44(1-3):126–137, 2004.], tout en ajoutant la contribution de l'émission secondaire due à la rétrodiffusion des électrons issus du plasma sur la surface émissive. Ce modèle permet d'accéder à la caractéristique courant-tension des sondes émissives, ainsi qu'à une relation entre le potentiel flottant de la sonde émissive et les paramètres du plasma et à un critère déterminant le seuil entre le régime de courant limité par thermoémission et le régime de courant limité par charge d'espace. Le modèle décrivant ce dernier régime fait ensuite l'objet d'un développement à l'ordre 1 pour donner une idée de l'effet de la variation des différents paramètres du plasma sur le potentiel flottant d'une sonde émissive. Tant les valeurs moyennes que les fluctuations du potentiel flottant prévues par le modèle ainsi que la transition entre les deux régimes de courant sont confrontés à des mesures expérimentales issues de deux machines à plasma distinctes.

Keywords

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Dates and versions

hal-01576912 , version 1 (24-08-2017)

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Cite

Jordan Cavalier, Nicolas Lemoine, Guillaume Bousselin, Nicolas Plihon, Jordan Ledig. Strongly emissive plasma-facing material under space-charge limited regime: Application to emissive probes. Physics of Plasmas, 2017, 24 (1), pp.13506 - 13506. ⟨10.1063/1.4973557⟩. ⟨hal-01576912⟩
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