Experimental validation of plasma-surface interaction models in high-power helicon plasma sources

Abstract

This thesis analyzes the erosion phenomena present in helicon plasma sources. These are electrodeless radiofre quency plasma generators which are able to produce high-density plasmas with low and moderate input power lev els. They have increasingly found research and industrial applications ranging from fundamental physics research, material processing, electric space propulsion and fusion-related research. The fact that they excite the plasma through an external antenna and possess an axial magnetic field containing the plasma is believed to prevent ero sion interactions with the plasma-facing surfaces, yet this claim has not been critically assessed. An analytical steady-state model is presented capable of estimating the 2D distribution of the plasma in cylindri cal helicon plasma sources, as well as the acceleration of ions through the sheath and the corresponding sputtering phenomena in the boundary confinement surfaces. The model is validated through comparison with published experimental data from a variety of relevant helicon plasma sources, and is then used to estimate the erosion rates in the boundary surfaces of the VX-CR research helicon experiment. Results are analyzed and the strengths and limitations of the model are discussed. The highest erosion rate estimates were obtained for the upstream closed end of the cylindrical helicon device, followed by the erosion produced through RF capacitive coupling under the location of the external antenna straps, and then the erosion produced by the acceleration of ions through the DC sheath elsewhere in the inner surface of the cylindrical containment tube. From these results, three main erosion modes in helicon plasma sources are identified and discussed. They are the acceleration of ions through the DC sheath, the effects of the RF capacitive coupling under the helicon antenna straps, and the contact or intersection of the magnetic field lines with the boundary surfaces. Potential mitigation strategies are introduced and discussed. These include the control of the distribution of key plasma parameters such as temperature and density, the proper configuration of the geometry and intensity of the magnetic field, and potentially the use of physical mitigation means such as Faraday shields. Perspectives are presented regarding remaining gaps in the understanding of these phenomena, and opportunities for future research.

Esta tesis analiza los fenómenos de erosión presentes en las fuentes helicoidales de plasma. Estas consisten en generadores de plasma mediante radiofrecuencia y carentes de electrodos, que son capaces de producir plasmas de alta densidad a partir de niveles de potencia de entrada bajos y medianos. En forma creciente, han encontrado aplicaciones industriales y académicas que abarcan desde la investigación en física básica, el procesamiento de materiales, la propulsión espacial eléctrica, e investigaciones relacionadas con la fusión nuclear. Se cree que el hecho de que excitan el plasma a través de una antena externa y que poseen un campo magnético axial conteniendo al plasma les permite reducir las interacciones de erosión con las superficies internas, sin embargo, esta afirmación no ha sido evaluada críticamente. Se presenta un modelo analítico de estado estable, capaz de estimar la distribución 2D del plasma en fuentes helicoidales de plasma cilíndricas, así como la aceleración de los iones a través de las regiones de apantallamiento eléctrico y los correspondientes fenómenos de pulverización catódica en las superficies de confinamiento. El modelo se validó a través de comparación con datos experimentales publicados provenientes de una variedad de fuentes helicoidales de plasma relevantes, y se utilizó posteriormente para estimar las tasas de erosión en las superficies de confinamiento de la fuente helicoidal experimental VX-CR. Los resultados fueron analizados, y las fortalezas y debilidades del modelo fueron discutidas. Las tasas de erosión estimadas más altas se obtuvieron para el extremo cerrado ubicado ‘aguas arriba’ en la fuente helicoidal cilíndrica, seguido de la erosión producida a través del acoplamiento capacitivo por radiofrecuencia (RF) bajo la ubicación de las terminales de la antena externa, y luego por la erosión producida gracias a la aceleración de los iones a través de la zona de apantallamiento de corriente directa (CD) en las restantes superficies internas del tubo de contención cilíndrico. A partir de estos resultados, tres modos principales de erosión en las fuentes helicoidales de plasma se identificaron y se discutieron. Estos son: la aceleración de los iones a través del apantallamiento CD, los efectos del acoplamiento capacitivo por RF bajo las terminales de la antena helicoidal, y el contacto o intersección de las líneas del campo magnético con las superficies de frontera. Se introdujeron y discutieron potenciales mecanismos de mitigación. Estos incluyen el control de la distribución a parámetros claves del plasma como la temperatura y la densidad, la adecuada configuración de la geometría e intensidad del campo magnético, y potencialmente el uso de mecanismos físicos de mitigación como pantallas de Faraday. Se presentan perspectivas sobre las brechas remanentes en el entendimiento de estos fenómenos, así como oportunidades para futuras investigaciones.