Determination of Operating Margins Related to Multipactor Phenomena for Radio-Frequency Components of Magnetically Confined Controlled Nuclear Fusion Applications
Détermination des marges opérationnelles relatives au phénomène multipactor des composants radiofréquences pour la fusion nucléaire contrôlée par confinement magnétique
Abstract
High-power radio-frequency (RF) waves are commonly used in a vacuum environment in magnetically confined nuclear fusion research in experimental devices such as tokamak. The power transmission capability of the antennas can be limited by the multipactor phenomenon --- an exponential increase in the number of electrons. The multipactor effect generally occurs when the energy of the electrons colliding with the surfaces of the component is high enough to release additional electrons and when the electrons’ motion is synchronised with the phase change of the RF signal. Under these conditions, an electron avalanche phenomenon is created, which can generate RF perturbations, rise in the local temperature of the components, leading to a subsequent increase in the pressure due to surface particle desorption, and, if not stopped, eventually trigger a corona discharge or an electric arc in the low-pressure residual gas that can lead to a component partial or total destruction.
The multipactor initiation depends on the RF electric field’s magnitude and frequency within the RF device and the secondary electron emission properties of the materials used, \emph{i.e.}, its surface composition, morphology, and history, and the presence of a magnetic field. The prediction of the multipactor is relatively well understood for simple metal geometries but remains uncertain for complex structures with multi-material and complex electric fields, such as RF feed-through composed of dielectric and conductive materials.
RF systems are used for plasma heating on the tokamak WEST, located at CEA-Cadarache in France. In particular, the following phenomenon was observed during experimental campaigns on the three Ion Cyclotron Resonance Heating (ICRH) antennas: when only one antenna is powered, the pressure increases in the antennas which are not powered. The problem is that once the pressure in one antenna exceeds a predefined threshold, the security system prohibits the application of RF power to avoid the generation of RF-induced plasma inside the antenna. The latter affects the operation of the ICRH system. The multipactor phenomenon is a possible cause explaining this pressure rise, and this hypothesis is investigated in this work.
The objective of this work is to model the multipactor phenomenon for realistic RF components subject to standing waves, such as the ICRH antennas of WEST. The study of the physical mechanisms underlying these pressure increases in the antennas aims to determine whether the multipactor is responsible for these measured pressure levels and if it provides an explanation for them.
Les ondes radiofréquences (RF) de haute puissance sont couramment utilisées dans des environnements sous vide pour la recherche sur la fusion nucléaire par confinement magnétique, notamment dans des dispositifs expérimentaux tels que les tokamaks. La capacité de transmission de puissance des antennes peut être limitée par le phénomène de multipactor, qui correspond à une augmentation exponentielle du nombre d'électrons. Ce phénomène survient, généralement, lorsque l'énergie des électrons entrant en collision avec les surfaces des composants est suffisamment élevée pour libérer des électrons supplémentaires et lorsque le mouvement des électrons est synchronisé avec le changement de phase du signal RF. Dans de telles conditions, un phénomène d'avalanche électronique se produit, pouvant générer des perturbations RF, une augmentation de la température locale des composants, entraînant une augmentation subséquente de la pression due à la désorption de particules de surface. Si ce phénomène n'est pas arrêté, il peut éventuellement déclencher une décharge corona ou un arc électrique dans le gaz résiduel à basse pression, ce qui peut entraîner la destruction partielle voire totale du composant.
L'initiation du multipactor dépend de l'amplitude et de la fréquence du champ électrique RF au sein du dispositif RF, ainsi que des propriétés d'émission d'électrons secondaires des matériaux utilisés, telles que leur composition de surface, leur morphologie, leur historique et de la présence d'un champ magnétique. La prédiction du multipactor est relativement bien comprise pour les géométries métalliques simples, mais reste incertaine pour les structures complexes avec des champs électriques multi-matériaux, telles que les fenêtres d'étanchéité RF composés de matériaux diélectriques et de conducteurs.
Sur le tokamak WEST situé au CEA-Cadarache en France, des systèmes RF sont utilisés pour le chauffage du plasma. En particulier, le phénomène suivant a été observé lors des campagnes expérimentales sur les trois antennes de chauffage par résonance cyclotronique ionique (ICRH) : lorsque seule une antenne est alimentée, la pression augmente dans les antennes qui ne le sont pas. Le problème est que dès que la pression dans l'une des antennes dépasse un seuil prédéfini, le système de sécurité interdit l'application de la puissance RF afin d'éviter la génération d'un plasma induit à l'intérieur de l'antenne, ce qui affecte l'opération du système ICRH. Le phénomène de multipactor est une possible explication de cette augmentation de pression et cette hypothèse est étudiée dans ce travail.
L'objectif de ces travaux est de modéliser le phénomène de multipactor pour des composants RF réalistes soumis à des ondes stationnaires, tels que les antennes ICRH de WEST. L'étude des mécanismes physiques à l'origine de ces augmentations de pression dans les antennes vise à déterminer si le multipactor est responsable de ces niveaux de pression mesurés et s'il permet d'en donner une explication.
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