Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Plasmas (gaz ionisés) – Recherche“

L'objet de cette these est l'estimation par simulation de la precision des mesures envisagees dans la magnetosphere terrestre et le vent solaire en spectrometrie ionique au moyen des quatre satellites de la mission cluster. Elle comprend une introduction aux processus d'interaction entre le vent solaire et la magnetosphere terrestre en mettant l'accent sur les objectifs scientifiques vises par l'etude. Le second chapitre donne une description complete des caracteristiques de l'instrumentation destinee a la mesure des moments de la fonction de distribution de plasmas d'ions. Le troisieme chapitre decrit la modelisation et le programme informatique mis en oeuvre pour simuler le fonctionnement des spectrometres. Le programme tient compte de l'impact des contraintes imposees par l'instrumentation et de l'environnement a mesurer sur la precision des mesures. Les differentes sources d'erreurs sont ensuite analysees et classifiees selon leur importance. L'analyse est etendue a un algorithme de compression des donnees, concu et developpe en vue d'accroitre la resolution temporelle des mesures. Enfin, le dernier chapitre presente la precision escomptee pour la mesure des parametres a bord de chaque satellite et des grandeurs macroscopiques au moyen des quatre satellites dans le vent solaire et la magnetosphere terrestre

Les décharges plasma en champs croisés ont une grande variété d'applications, y compris la propulsion spatiale (les propulseurs de Hall) et le traitement des matériaux (magnétrons planaires). La configuration croisée des champs magnétiques et électriques crée des phénomènes tels que la turbulence plasma et des anisotropies dans les propriétés des particules, dont la compréhension nécessite des informations détaillées sur les électrons. L'étude expérimentale directe de ces caractéristiques contribuerait au développement de simulations numériques de haute fidélité de ces plasmas et à une meilleure compréhension de leur fonctionnement. Un effort de recherche intense a été consacré ces dernières années à l'étude de phénomènes tels que le transport "anormal" d'électrons à travers les lignes de champ, qui dépasse de plusieurs ordres de grandeur le transport attendu par les collisions. L'incompréhension de ce phénomène limite la capacité de prédiction des codes numériques pour les propulseurs et autres dispositifs. Des travaux récents ont cependant établi un lien entre ce transport et les instabilités à haute fréquence dans le plasma. La complexité de ce comportement (propagation 3D, effets de couplage) nécessite le développement de codes numériques performants à trois dimensions, mais aussi des diagnostics avancés pour sonder pour le comportement et les propriétés des électrons. La nature de ces décharges (électrons énergétiques et magnétisés, leur architecture) rend les diagnostics invasifs tels que les sondes de Langmuir limités dans leur capacité à sonder les caractéristiques des électrons. Dans ce travail, deux diagnostics basés sur la diffusion Thomson ont été appliqués : THETIS (diffusion Thomson incohérente), pour mesurer les propriétés individuelles des électrons telles que la température (plus largement, les fonctions de distribution de l'énergie des électrons), la densité et la vitesse de dérive, et PRAXIS (diffusion Thomson cohérente), pour mesurer les fluctuations à petite échelle de la densité des électrons (associées aux ondes MHz). Dans un propulseur à effet Hall de 1,5 kW, l'évolution des propriétés des électrons le long de la direction radiale a été directement mesurée. Une variation radiale, plus marquée pour la température, a été observée. Un modèle de théorie cinétique linéaire a été utilisé pour évaluer la forme de la relation de dispersion correspondant aux conditions de plasma mesurées, et celle-ci a été comparée aux mesures antérieures effectuées avec PRAXIS. Cette analyse a révélé un effet de lissage de la relation de dispersion qui peut être expliqué par la variation des propriétés des électrons le long du volume de mesure. Dans un magnétron planaire HiPIMS, plusieurs conditions de décharge ont été étudiées, avec de l'argon et de l'hélium, pour des courants de pointe allant de 40 A à 600 A. Des caractéristiques résolues en temps, telles que l'anisotropie de la vitesse de dérive, ont été mesurées, et une analyse des contributions aux dérives des particules a été réalisée dans différentes conditions. La théorie cinétique linéaire a été adaptée pour le magnétron. L'application de PRAXIS aux mesures dans le magnétron planaire a révélé la présence de deux instabilités dans le mode HiPIMS, l'une identifiée comme l'instabilité de dérive cyclotronique électronique (ECDI), étudiée dans des travaux antérieurs, et le second mode se propageant à un angle de 45° par rapport à la surface de la cible. Une analyse préliminaire de la perturbation par une simple sonde de Langmuir dans le plasma a également été effectuée sur le magnétron planaire, et il a été observé qu'une augmentation systématique de la vitesse de groupe de l'instabilité se produisait en présence de la sonde. L'application de diagnostics avancés dans le cadre de ce travail a permis une meilleure caractérisation (y compris avec une résolution temporelle élevée) des propriétés et de la dynamique des électrons de ces dispositifs en champs croisés
Crossed-field plasma discharges have a wide variety of applications, including space propulsion (e.g. Hall thrusters) and materials processing (planar magnetrons). The crossed magnetic and electric field configuration creates features such as plasma turbulence and anisotropies in particle properties, the understanding of which require detailed information on electrons. Direct experimental study of these features would contribute to the development of high-fidelity numerical simulations of such plasmas, and to an improved understanding of their operation. An intense research effort has been devoted in recent years to the study of phenomena such as so-called "anomalous" electron transport across the field lines, which exceeds by several orders of magnitude that expected from collisions. The lack of complete understanding of this phenomenon limits the predictive capability of numerical codes for thrusters and other devices. Recent work has, however, established a link between this transport and high-frequency instabilities within the plasma. The complexity of this behavior (3D propagation, coupling effects) requires not only the development of high-performance, full-dimensional numerical codes, but also advanced diagnostics for electron behavior and properties.The nature of these discharges (such as high degrees of electron magnetization and energy, architecture) render invasive diagnostics such as Langmuir probes limited in their capacity to probe electron features. In this work, two diagnostics based on Thomson scattering were applied to the study of such features: THETIS (incoherent Thomson scattering), for measurement of individual electron properties such as temperature (more broadly, electron energy distribution functions), density and drift velocity, while PRAXIS (coherent Thomson scattering), for measurement of small-scale electron density fluctuations (associated with MHz-frequency waves). In a 1.5 kW Hall-effect thruster, the evolution of electron properties along the radial direction was directly measured. A radial variation in the electron properties, most marked for electron temperature, was observed. A linear kinetic theory model was used to evaluate the form of the dispersion relation corresponding to the measured plasma conditions, and this was compared with previous measurements made using PRAXIS. This analysis revealed a smoothing effect of the dispersion relation which could be accounted for due to the variation of electron properties along the characteristic measurement volume dimensions. In a HiPIMS planar magnetron, several discharge conditions were studied, with argon and helium, for peak currents ranging from 40 A to 600 A. Time-resolved features such as anisotropy of the drift velocity were measured, and an analysis of the contributions to the particle drifts was performed under varying conditions. The linear kinetic theory was adapted to the magnetron. The application of PRAXIS to measurements in the planar magnetron revealed the presence of two instabilities in the HiPIMS mode, one identified as the electron cyclotron drift instability (ECDI), studied in previous work, and the second mode propagating at an angle of 45° to the target surface. A preliminary analysis of the perturbative influence of a simple Langmuir probe in the plasma was also carried out on the planar magnetron, and it was observed that a systematic increase in the instability group velocity was occurred in the presence of such a probe.The application of advanced electron diagnostics to measurements in this work have enabled an improved characterization (including with high temporal resolution) of the electron properties and dynamics of these crossed-field devices

L'objectif de cette thèse est de comprendre la dynamique du transport turbulent des impuretés dans les plasmas de fusion magnétique. Il s'appuie sur l'influence du champ turbulent qui induit un transport anormal. En outre, ce travail apporte des résultats nouveaux dans l'étude du transport d'impuretés en présence de deux instabilités différentes: l’instabilité liée au gradient de température ionique (ITG) et l'instabilité associée aux électrons piégés (TEM). Il est montré qu'en présence d'une barrière de transport interne (ITB) créée par une configuration de cisaillement magnétique inversé, on peut obtenir un renversement de la vitesse de pincement des impuretés. Ces dernières peuvent alors changer de direction de l'intérieur vers l'extérieur du plasma. Ce scénario est favorable à l'expulsion des impuretés de la région centrale, ce qui permet une décontamination du plasma de coeur. Le mécanisme de renversement du pincement de vitesse est attribué à un changement de direction du pincement de courbure et à une modification de l'instabilité sous-jacente dominante. Cette dernière est causée par un changement du gradient de la température ionique qui est une conséquence de la formation de l'ITB
The aim of this thesis is to understand impurity transport dynamics in the magnetically confined fusion plasmas. This includes the influence of the turbulent field which induces an anomalous transport in the plasma. Furthermore, this work demonstrates remarkable aspects for impurity transport in two different instabilities: ``ion temperature gradient (ITG) and trapped electron mode (TEM)''. It is shown that in presence of an internal transport barrier (ITB) created by a reversed magnetic shear configuration, one can obtain the reversal of impurity pinch velocity which can change from inward direction to outward direction. This scenario is favourable for expelling impurities from the central region and decontaminating the core plasma. The mechanism of pinch reversal is attributed to a change of direction of the curvature pinch and to a modification of the dominant underlying instability caused by a change of the gradient of the ion temperature which is a consequence of the ITB formation

Les effets diamagnétiques ont longtemps été pris en compte car ils sont à l'origine d'une instabilité clef dans les plasmas de bord, les ondes de dérives. En incluant ces effets, on permet la compétition entre lesdites ondes de dérives et l'instabilité d'interchange (présente de manière native dans le code) due à la courbure du champ magnétique. Cette compétition est étudiée dans ce travail au travers de simulations à gradient fixe. Ces effets sont stabilisants aux résistivités proches de l'expérience. Les effets des fluctuations magnétiques sont d'autant plus déstabilisantes que la résistivité est basse. En revanche, les temps caractéristiques de la turbulence sont très fortement réduit par la prise en compte de ces fluctuations. Il devient donc plus difficile en régime électromagnétique de déchirer les vortex turbulents comparé à un cas électrostatique, et donc il en résulte une augmentation du seuil en puissance dans les simulations electromagnétiques. On montre enfin que plus la masse de l'isotope est élevée, au plus les phénomènes turbulents sont faibles. Nous présentons l'auto-génération de barrière de transport en régime électromagnétiques delà d'un seuil en puissance, avec une dynamique semblable aux transition L-H, par le biais de simulations à flux fixe. Nous montrons qu’une puissance plus élevée en régime électromagnétique qu'en électrostatique est nécessaire pour déchirer les vortex, soit que le temps de cisaillement soit inférieur aux temps caractéristiques de la turbulence. Ensuite, l'isotope a été changé, le seuil en puissance de la transition L-H a diminué via une stabilisation de la turbulence liée à une masse d'isotope plus grande
A model based on a model which natively contained turbulence and turbulence driven flow. It has been improved to include the diamagnetic effects, the magnetic fluctuations, and in this work, we study the parametric dependencies of the observed L-H transition power threshold with respect to the ion mass. By including the diamagnetic effects in our model, we allow the competition between the drift waves and the interchange instabilities. This competition is here studied using fixed gradient simulation. We show in this work that the diamagnetic effects are stabilizing for a resistivity close to experimental conditions. Electromagnetic effects lead to more unstable modes at realistic resistivities. Moreover, a quasilinear estimation of the turbulent flux is able to qualitatively grasp the competition between the drift waves and the interchange and the behaviour of the nonlinear electrostatic turbulent flux with resistivity and plasma beta. Another parametric dependency of the turbulence is studied, by changing the mass of the isotope. This is known as the isotope effect. We show here that the turbulence is reduced when the ion mass is increased. Finally, the characteristic times of the turbulence are studied.Magnetic fluctuations have a dramatic effect on correlation times of the turbulence, by drastically reducing them. Accounting for these results, we present in this work the auto-generation of a transport barrier with electromagnetic simulations of edge turbulence, when the heat power is higher than a threshold, using flux-driven simulations. We have then changed the isotope, and correspondingly to experiments, the power threshold is lower for higher isotope mass

Le transport turbulent d'impuretés est une question essentielle pour le développement de la fusion par confinement magnétique. En effet, une accumulation d'impuretés au coeur du plasma induit des pertes d'énergies par radiation. Il est par contre prévu d'injecter des impuretés au bord pour extraire la chaleur par rayonnement. Ceci impose le contrôle et donc la compréhension du transport d'impuretés. Les formules du flux turbulent d'impuretés pour un spectre donné de fluctuations ont été dérivées. Pour ce faire, une théorie quasi-linéaire a été appliquée à une turbulence d'ondes de dérive. L'origine et les caractéristiques des principaux mécanismes d'accumulation, ou pincement, d'impuretés ont été identifiés. Une nouvelle version du code de turbulence fluide TRB a été développée. Cette nouvelle version permet de simuler le transport d'impuretés en présence d'une turbulence d'ondes de dérive électroniques et ioniques. Des simulations à flux nul, correspondant à un plasma en état stationnaire dont la source d'impureté est limitée au bord, ont confirmé la présence d'un pincement turbulent d'impuretés. Les prédictions de la théorie quasi-linéaire ont été vérifiées numériquement, et l'importance des mécanismes de pincement a été étudiée. En particulier le rôle dominant du pincement de courbure a été mis en évidence. Enfin, les simulations ont été comparées à des mesures effectuées lors d'expériences sur les tokamaks Tore Supra et JET. L'existence d'un pincement turbulent d'impuretés a été ainsi confirmée, de même que l'indépendence du transport en fonction de la charge de l'impureté
The turbulent impurity transport is an essential issue for the achievement of magnetically confined fusion. Indeed, a build-up of impurities in the plasma core induces radiation energy losses. On the other hand, it is foreseen to inject impurities at the plasma edge in order to extract heat by radiation. These conditions impose control and therefore understanding of impurity transport. An analytical expression for the turbulent flux of impurities for a given turbulent spectrum have been derived using a quasilinear theory applied to a drift-wave turbulence. The nature and characteristics of the main accumulation (or pinch) mechanisms for impurities have been identified. A new version of the fluid turbulence code TRB has been developed. This version allows simulating the transport of impurities in electronic and ionic drift-wave turbulence. Zero-flux simulations, corresponding to a stationnary plasma whose impurity source is limited to the plasma edge, confirmed the presence of an impurity pinch. Quasilinear predictions have been numerically confirmed, and the relative importance of the various pinch mechanisms has been studied. The dominant role of curvature pinch has been shown. Finally, simulations have been compared to experimental measurements made on JET and Tore Supra tokamaks. The presence of a turbulent pinch of impurities has been confirmed, as well as the independence of transport on impurity charge

On étudie le transfert énergétique anormal dans deux plasmas chauds, lié à un chauffage dans la couronne solaire et à un déconfinement du plasma dans les tokamaks. On montre que la structure magnétique intervient dans ce phénomène par l'intermédiaire d'instabilités à petite échelle, que l'on modélise grâce à un système dynamique non-linéaire, le modèle de bêtes, pour lequel on trouve quatre classes de comportement. On présente une classification automatisée de ces régimes dans l'espace des paramètres par un réseau de neurones. Dans la couronne solaire, une compilation des résultats expérimentaux récents sert de base à une discussion des processus de chauffage bases sur des courants électriques. Un simple effet joule ne pouvant expliquer les taux de chauffage observés, on propose un modèle dimensionnel qui met en jeu une instabilité résistive reconnectrice et produit un chauffage efficace et discontinu. Les résultats sont en bon accord avec les observations. Dans les tokamaks, on donne une expression analytique du coefficient de diffusion en présence de turbulence magnétique que l'on valide grâce au mapping standard. Une version réaliste du modèle des bêtes est mise en place afin de tester un candidat possible pour expliquer le transport anormal: l'instabilité de filamentation thermique.

Les propulseurs plasmiques de type Hall possèdent des caractéristiques fonctionnelles qui répondent particulièrement bien aux besoins en propulsion des nouvelles générations de satellites. Le fonctionnement de ces propulseurs est basé sur la création et l'accélération d'un plasma de xénon dans une décharge en champs croisés E x B. Dans le cadre d'un groupement de recherche constitué du CNRS, du CNES, de la SNECMA et de l'ONERA, un effort particulier est porté pour améliorer la compréhension des mécanismes physiques qui gère le fonctionnement de ces propulseurs. L'étude expérimentale de la réponse du moteur à des extinctions de courant obtenues avec un interrupteur ultra-rapide a pris une place particulière dans cette thèse. Cette approche a permis d'apporter un nouvel éclairage sur les processus collisionnels de création du plasma et a rendu possible une caractérisation fine du comportement dynamique de la décharge. Le transport des électrons dans la décharge à travers le champ magnétique reste encore un problème ouvert. Des mesures à l'aide d'antennes large-bande ont permis d'observer la corrélation entre le développement d'instabilités haute fréquence (6 MHz) et une augmentation macroscopique du courant. Ces mesures mettent en évidence l'existence d'un transport turbulent des électrons dans la décharge.

Un nouveau modele hydrogenique ecrante dependant des deux nombres quantique principal n et orbital l ainsi qu'une methode de calcul des forces d'oscillateur lie-lie et lie-libre rapide et originale sont presentes. On montre que ce modele, combine avec la notion d'atome moyen, est thermodynamiquement consistant. Une nouvelle technique d'estimation de la composition ionique d'un plasma a l'etl, applicable a un modele quelconque d'atome moyen, est proposee. Des methodes de physique statistique classique, incluant l'eclatement en etats de charge entiere, sont presentees pour ameliorer les opacites spectrales a l'etl. Le formalisme est teste par comparaison avec des resultats theoriques et experimentaux publies dans la litterature

Nous etudions dans le chapitre deux un autre mecanisme important de saturation en tenant compte du couplage entre le mouvement des ions et l'onde plasma pendant sa croissance. Celui-ci cree une instabilite modulationnelle, qui entraine une perte de coherence du systeme ondes laser-plasma susceptible de stopper le processus d'excitation resonante de l'onde plasma. Dans le chapitre trois nous etudions l'instabilitte brillouin stimulee dans son regime convectif, phenomene qui joue un role tant dans les accelerateurs de particules par battement d'onde que dans les experiences d'interactions laser-matiere ou l'onde sonore est fortement amortie