Academic literature on the topic 'Plasmas (gaz ionisés) – Turbulence – Mesure'

La réflectométrie à balayage est une technique radar communément utilisée pour déterminer le profil radial de la densité électronique dans les plasmas de fusion. Tore Supra est équipé de deux réflectomètres à balayage ultra rapide opérant en polarisation extraordinaire. L'objectif de ce travail était de développer des nouvelles méthodes d'analyse des données brutes de ces réflectomètres de manière à caractériser la turbulence présente dans le plasma. Nous montrons qu'en adoptant des approches différentes il est possible d'une part de mesurer l'activité MHD et d'autre part de caractériser la micro-turbulence. Nous proposons une méthode d'analyse permettant de localiser les surfaces rationnelles où s'est développée une instabilité MHD. La méthode est basée sur la détection de l'îlot magnétique qui est caractérisé par un aplatissement local du profil de densité, et provoque une brutale perturbation de la phase du signal du réflectomètre. De plus, le balayage rapide associé à une acquisition rapide permet de suivre la dynamique des modes MHD associés. La localisation des surfaces q=1, q=2, q=3 et q=3/2 ainsi que la dynamique des îlots (m=1, n=1) et (m=2, n=1) sont présentées. La détermination des fluctuations de phase de l'onde sonde dues à la micro-turbulence est réalisée par une approche statistique où chaque rampe de fréquence constitue un échantillon indépendant de fluctuations de phase. Les transformées de Fourier sur des fenêtres radiales permettent d'obtenir les spectres locaux en fonction du nombre d'onde radial de ces fluctuations. La relation entre le spectre des fluctuations de phase et le spectre des fluctuations de densité n'est pas établi [. . . ]

Le diagnostic de reflectometrie permet de determiner le profil de densite electronique d'un plasma de fusion. Le principe de la mesure est base sur la technique radar de calcul du dephasage qu'une onde a accumule lors de sa propagation aller-retour dans le plasma jusqu'a une couche de coupure. Cependant, le plasma est le siege de fluctuations qui perturbent la propagation et la reflexion de l'onde d'une facon encore mal comprise. Nous avons cherche a caracteriser les effets des fluctuations de densite sur le signal detecte pour comprendre les mecanismes qui le perturbent et empechent, de mesurer le dephasage de l'onde. Ce travail comprend deux aspects complementaires. Tout d'abord, nous avons etudie la turbulence responsable des pertes d'information pour comprendre ses mecanismes et ses origines. Nous mettons en evidence le role de la collisionnalite * et du rayonnement du plasma. Il est aussi demontre que le dephasage du faisceau micro-onde est tres sensible aux phenomenes mhd et qu'il parait moins affecte par la micro-turbulence. Le second aspect a ete le developpement et l'exploitation d'un nouveau reflectometre a detection heterodyne. Ce diagnostic opere en mode ordinaire sur la gamme de frequences 26 - 36 ghz. Il offre une meilleure sensibilite que les reflectometres homodynes (60 db au lieu de 30 db) ainsi qu'une plus grande agilite en frequence (balayages en 10 s au lieu de 1 ms). Sa detection permet de separer la phase et l'amplitude du signal, et ainsi d'etudier leur contributions respectives dans les mecanismes de perturbation du signal. Il emet simultanement dans le plasma deux frequences separees de 320 mhz et permet d'etudier separement les signaux reflechis ou de combiner leurs informations pour realiser des mesures par difference de phase. L'exploitation de ce reflectometre a permis de mettre en evidence les points suivants : - la necessite d'avoir une grande dynamique, - la necessite de balayer rapidement la source micro-onde, - l'effet des multi-reflexions dans le plasma, - la tres bonne localisation des mesures.

La nécessaire représentation en échelle du monde nous amène à expliquer pourquoi la théorie des ondelettes en constitue le formalisme le mieux adapté. Ses performances sont comparées à d'autres outils : la méthode des étendues normalisées (R/S) et la méthode par décomposition empirique modale (EMD).La grande diversité des bases analysantes de la théorie des ondelettes nous conduit à proposer une approche à caractère morphologique de l'analyse. L'exposé est organisé en trois parties.Le premier chapitre est dédié aux éléments constitutifs de la théorie des ondelettes. Un lien surprenant est établi entre la notion de récurrence et l'analyse en échelle (polynômes de Daubechies) via le triangle de Pascal. Une expression analytique générale des coefficients des filtres de Daubechies à partir des racines des polynômes est ensuite proposée.Le deuxième chapitre constitue le premier domaine d'application. Il concerne les plasmas de bord des réacteurs de fusion de type tokamak. Nous exposons comment, pour la première fois sur des signaux expérimentaux, le coefficient de Hurst a pu être mesuré à partir d'un estimateur des moindres carrés à ondelettes. Nous détaillons ensuite, à partir de processus de type mouvement brownien fractionnaire (fBm), la manière dont nous avons établi un modèle (de synthèse) original reproduisant parfaitement la statistique mixte fBm et fGn qui caractérise un plasma de bord. Enfin, nous explicitons les raisons nous ayant amené à constater l'absence de lien existant entre des valeurs élevées du coefficient d'Hurst et de supposées longues corrélations.Le troisième chapitre est relatif au second domaine d'application. Il a été l'occasion de mettre en évidence comment le bien-fondé d'une approche morphologique couplée à une analyse en échelle nous ont permis d'extraire l'information relative à la taille, dans un écho rétrodiffusé d'une cible immergée et insonifiée par une onde ultrasonore
The necessary scale-based representation of the world leads us to explain why the wavelet theory is the best suited formalism. Its performances are compared to other tools: R/S analysis and empirical modal decomposition method (EMD). The great diversity of analyzing bases of wavelet theory leads us to propose a morphological approach of the analysis. The study is organized into three parts. The first chapter is dedicated to the constituent elements of wavelet theory. Then we will show the surprising link existing between recurrence concept and scale analysis (Daubechies polynomials) by using Pascal's triangle. A general analytical expression of Daubechies' filter coefficients is then proposed from the polynomial roots. The second chapter is the first application domain. It involves edge plasmas of tokamak fusion reactors. We will describe how, for the first time on experimental signals, the Hurst coefficient has been measured by a wavelet-based estimator. We will detail from fbm-like processes (fractional Brownian motion), how we have established an original model perfectly reproducing fBm and fGn joint statistics that characterizes magnetized plasmas. Finally, we will point out the reasons that show the lack of link between high values of the Hurst coefficient and possible long correlations. The third chapter is dedicated to the second application domain which is relative to the backscattered echo analysis of an immersed target insonified by an ultrasonic plane wave. We will explain how a morphological approach associated to a scale analysis can extract the diameter information

La nécessaire représentation en échelle du monde nous amène à expliquer pourquoi la théorie des ondelettes en constitue le formalisme le mieux adapté. Ses performances sont comparées à d'autres outils : la méthode des étendues normalisées (R/S) et la méthode par décomposition empirique modale (EMD).La grande diversité des bases analysantes de la théorie des ondelettes nous conduit à proposer une approche à caractère morphologique de l'analyse. L'exposé est organisé en trois parties.Le premier chapitre est dédié aux éléments constitutifs de la théorie des ondelettes. Un lien surprenant est établi entre la notion de récurrence et l'analyse en échelle (polynômes de Daubechies) via le triangle de Pascal. Une expression analytique générale des coefficients des filtres de Daubechies à partir des racines des polynômes est ensuite proposée.Le deuxième chapitre constitue le premier domaine d'application. Il concerne les plasmas de bord des réacteurs de fusion de type tokamak. Nous exposons comment, pour la première fois sur des signaux expérimentaux, le coefficient de Hurst a pu être mesuré à partir d'un estimateur des moindres carrés à ondelettes. Nous détaillons ensuite, à partir de processus de type mouvement brownien fractionnaire (fBm), la manière dont nous avons établi un modèle (de synthèse) original reproduisant parfaitement la statistique mixte fBm et fGn qui caractérise un plasma de bord. Enfin, nous explicitons les raisons nous ayant amené à constater l'absence de lien existant entre des valeurs élevées du coefficient d'Hurst et de supposées longues corrélations.Le troisième chapitre est relatif au second domaine d'application. Il a été l'occasion de mettre en évidence comment le bien-fondé d'une approche morphologique couplée à une analyse en échelle nous ont permis d'extraire l'information relative à la taille, dans un écho rétrodiffusé d'une cible immergée et insonifiée par une onde ultrasonore
The necessary scale-based representation of the world leads us to explain why the wavelet theory is the best suited formalism. Its performances are compared to other tools: R/S analysis and empirical modal decomposition method (EMD). The great diversity of analyzing bases of wavelet theory leads us to propose a morphological approach of the analysis. The study is organized into three parts. The first chapter is dedicated to the constituent elements of wavelet theory. Then we will show the surprising link existing between recurrence concept and scale analysis (Daubechies polynomials) by using Pascal's triangle. A general analytical expression of Daubechies' filter coefficients is then proposed from the polynomial roots. The second chapter is the first application domain. It involves edge plasmas of tokamak fusion reactors. We will describe how, for the first time on experimental signals, the Hurst coefficient has been measured by a wavelet-based estimator. We will detail from fbm-like processes (fractional Brownian motion), how we have established an original model perfectly reproducing fBm and fGn joint statistics that characterizes magnetized plasmas. Finally, we will point out the reasons that show the lack of link between high values of the Hurst coefficient and possible long correlations. The third chapter is dedicated to the second application domain which is relative to the backscattered echo analysis of an immersed target insonified by an ultrasonic plane wave. We will explain how a morphological approach associated to a scale analysis can extract the diameter information

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

Les propriétés linéaires et non-linéaires des descriptions fluide et cinétique d'une instabilité d'échange sont comparées. Le cadre général est la prédiction du transport turbulent dans les tokamaks. Le modèle cinétique étudié est à deux dimensions en espace et une en énergie. Le système fluide retenu décrit la dynamique de la densité et de la pression. La fermeture considérée, qui porte sur le flux de chaleur, est collisionnelle. Nous montrons que les équations fluides sont analogues à deux équations de type Vlasov pour deux fonctions de distribution monocinétiques. Le même code numérique est alors utilisé en régime non-linéaire pour le cinétique et le fluide. Pour des caractéristiques linéaires comparables, le niveau de transport de chaleur fluide excède de plusieurs ordres de grandeur le cinétique. Les écoulements zonaux ne permettent pas d'expliquer toutes ces différences. De fait, la fonction de distribution s'écarte notablement d'une maxwellienne, rendant caduque la fermeture adoptée. Une fermeture alternative est proposée : non-collisionnelle, elle repose sur la comparaison des taux quasi-linéaires de production d'entropie. Les contraintes permettent d'ajuster les propriétés linéaires cinétique et fluide
The kinetic and fluid descriptions of the interchange instability are compared in the linear and non-linear regimes. The prediction of the turbulent transport in tokamaks is the general framework. The kinetic model is two dimensional in space, and one dimensional in energy. The fluid analogue retains the dynamics of both density and pressure. The closure, which acts on the heat flux, is collisional. The fluid system is shown to be equivalent to two Vlasov-type equations for two distinct monokinetic distribution functions. This allows one to use the same numerical tool to run non-linear simulations in kinetic and fluid. For similar linear characteristics, the level of heat turbulent transport is larger in fluid than in kinetics, by orders of magnitudes. Zonal flows do not explain the whole discrepancy. As a matter of fact, the distribution function departs significantly from a maxwellian, so that the adopted closure is failing. An alternative collisionless closure is proposed. It aims at fitting the quasi-linear entropy production rates. In this case, the kinetic and fluid linear properties can be made similar

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

Une approche hamiltonienne a nombre fini de degres de liberte fournit une description mecanicienne, intuitive et techniquement simple du couplage autocoherent entre particules resonnantes et ondes de langmuir dans un plasma unidimensionnel. Ainsi, un calcul perturbatif autour d'une situation sans champ electrique montre que pour une realisation du plasma, l'instabilite landau est un mode propre du systeme et qu'elle est liee a un phenomene de synchronisation des particules faiblement resonnantes (non piegees) avec les ondes de langmuir. Ce calcul revele aussi l'existence des modes faisceaux, qui correspondent dans la limite continue aux modes de van kampen, et de modes balistiques. En revanche, l'amortissement landau n'est pas associe a un mode propre amorti et il apparait comme une propriete statistique consequence du melange des phases des modes de van kampen. Du fait qu'elle respecte la nature granulaire des particules resonnantes, cette approche permet de joindre de facon naturelle les contributions de l'emission spontanee a celles donnant l'effet landau. Un calcul perturbatif par rapport au couplage champ-particules, et une moyenne sur un ensemble de plasmas, retrouvent les equations quasi lineaires pour les ondes et les particules, modifiees par le terme d'emission spontanee. Il est egalement montre que l'amortissement landau est lie au phenomene de synchronisation et que c'est un effet non lineaire (comme dans un vrai plasma) en ce sens il n'existe pas en dessous d'un niveau d'equilibre de l'intensite des ondes, correspondant au niveau thermique dans un plasma maxwellien

Le cadre général de cette thèse est l'intermittence en turbulence développée. Dans une première partie, nous nous intéressons aux propriétés statistiques des modes de Fourier d'un écoulement turbulent. Ces quantités sont fréquemment évoquées pour décrire la turbulence. Des études expérimentales récentes ont montré que les modes de Fourier du champ de vorticité et de température étaient faiblement intermittents dans la zone inertielle. Nous confirmons ces résultats par des mesures effectuées dans des simulations numériques directes. Notre travail propose une explication des effets observes ainsi que des remarques plus générales. La seconde partie de ce travail est consacrée a l'intermittence d'un scalaire passif. Nous utilisons une approche basée sur les équations d'évolution a travers les échelles des distributions de probabilité des incréments du scalaire passif. Ces équations sont obtenues a partir des équations fondamentales, sous différentes hypothèses d'isotropie ; le problème de fermeture se ramène a la détermination de moyennes conditionnées. Nous effectuons une étude par simulations numériques directes pour fournir les données nécessaires a la validation de cette approche. Ce travail met en évidence l'influence des grandes échelles sur les propriétés statistiques du mélange aux échelles inertielles
This thesis deals with the intermittency in fully developed turbulence. In a first part, we study the statistical properties of Fourier modes in a turbulent flow. These quantities are often evoked to describe turbulence. Recent experimental studies demonstrated that the Fourier modes of vorticity and temperature are only weakly intermittent in the inertial range of scales. We confirm these results by measurements done in direct numerical simulations. Our work proposes an explanation of the observed effects and some more general remarks. The second part of this work is devoted to the intermittency of a passive scalar. We use an approach based on the evolution equations through scales of the density probability function of the passive scalar increments. These equations are derived from first principles, under different hypothesis of isotropy ; the closure problem is reduced to the determination of some conditional averages. We carry out a study by means of direct numerical simulations in order to provide the data needed to validate this approach. This work demonstrates the influence of the large scales in the inertial statistical properties of the mixing

La turbulence dans le plasma de fusion thermonucléaire peut entraîner une augmentation du coefficient de transport de l’énergie et des particules détériorant ainsi le confinement du plasma. C’est pourquoi les mesures de la turbulence du plasma sont importantes pour la description des processus de transport du plasma. Le diagnostic plasma micro-ondes est un type efficace de diagnostic plasma actif pour caractériser la turbulence. Leurs principes reposent sur la collecte d’informations intégrées dans le volume de plasma sondé, et contenu dans les ondes réfléchies ou diffusées atteignant le détecteur. Pour extraire les propriétés de turbulence, des modèles interprétatifs sont nécessaires. La réflectométrie de corrélation radiale (RCR) et la réflectométrie Doppler sont des techniques largement utilisées qui fournissent des informations sur les caractéristiques de la turbulence du plasma. La diffusion Thomson collective (CTS) est un diagnostic micro-ondes intéressant qui peut donner des informations sur des paramètres plasma tels que la température des ions en vrac, la composition des ions en vrac, la distribution de vitesse des particules rapides (particules alpha ou ions d’un faisceau chauffant). La connaissance de la distribution de la vitesse des particules alpha est particulièrement recherchée et importante pour évaluer les performances d’ITER où l’amplification énergétique de la puissance de chauffage du plasma Q devrait atteindre la valeur d’environ 10. L’analyse des données réelles des diagnostics micro-ondes, ou les interprétations d’une mesure signal suppose un faisceau de sondage gaussien lisse. Il a été démontré que les faisceaux de micro-ondes peuvent être considérablement déformés en raison de la turbulence du plasma de bord. Ceci peut conduire à des interprétations trompeuses du signal de diagnostic, basées sur les micro-ondes. En conséquence les modèles interprétatifs des diagnostics doivent être analysés en tenant compte de la distorsion du faisceau de sondage. L’amélioration des modèles interprétatifs de diagnostic hyperfréquence est l’objet principal des études présentées dans cette thèse
The turbulence in thermonuclear fusion plasma can lead to increase of the plasma transport coefficient that enhances the particles and energy losses therefore deteriorates the plasma confinement. That is why measurements of the plasma turbulence is important for description of the plasma transport processes. Microwave plasma diagnostics is an efficient kind of the active plasma diagnostics to characterize the turbulence. Their principles are based on the collection of information integrated over the probed plasma volume, and printed on the reflected or scattered waves reaching the detector, for which interpretative models are required to extract the turbulence properties. The radial correlation reflectometry (RCR) and the Doppler reflectometry are widely used technics that provide information on plasma turbulence characteristics. The Collective Thomson Scattering (CTS) is a valuable microwave diagnostic that can give the information about such plasma parameters as the bulk ion temperature, bulk ion composition, the fast particles (alpha particles or ions of a heating beam) velocity distribution. The knowledge of the alpha particle velocity distribution is especially interesting and important to evaluate the ITER performance where the energy amplification of plasma heating power Q is expected to achieve the value about 10. The actual data analysis of the microwave diagnostics, or interpretations of a measured signal is fulfilled assuming a smooth Gaussian probing beam. It was demonstrated that the microwave beams can be significantly distorted due to the edge plasma turbulence, that may lead to misleading interpretations of the diagnostic signal, based on the microwaves, so the diagnostics interpretative models should be analyzed taken into account to the probing beam distortion. The improvement of the microwave diagnostics interpretative models is the main object of the study presented in this thesis.The aim of this PhD work is to include these missing effects in an interpretative model for CTS using X-mode probing beam