Catégorie d'emplois : Physique

Maître de conférences (H/F) en physique expérimentale et/ou théorique pour la Fusion par Confinement Magnétique

Lors de la campagne de recrutement d’enseignants-chercheurs 2025, Aix-Marseille Université proposera un poste de maitresse ou maitre  de conférences en section CNU 28 ou 30 pour mener des recherches au sein du laboratoire PIIM (Physique des Interactions Ioniques et Moléculaires).

Ce poste sera rattaché à la Faculté des Sciences qui est très attachée à la mixité et à la diversité de ses recrutements et encourage une politique paritaire en la matière.

Le profil de ce poste est indiqué ci-dessous. Par ailleurs, ces fonctions nécessiteront une réelle aptitude à communiquer et à travailler en équipe dans un environnement international.

Les candidatures pourront être déposées sur l’application Odyssée  du 4 mars 2025 10h au 4 avril 2025 16h00. Aucune candidature ne peut être formulée en direct via ce site.

En revanche, les personnes qui envisagent de déposer une candidature peuvent contacter le laboratoire à des fins de préparation de leur projet de recherche (lire le volet recherche ci-dessous).

Les candidates et les candidats dont les dossiers seront sélectionnés par le comité de sélection seront auditionnés le 7 mai 2025.

Volet recherche

PIIM a une forte activité dans le domaine de la Fusion par Confinement Magnétique, avec 5 équipes impliquées (Hydrogène, Molécules, Matériaux ; Physique Atomique et Transport dans les Plasmas ; Plasma Surface ; Plasma, Théorie et Modélisation ; Turbulence Plasma) dans les activités de la fédération nationale FR-FCM et de l’institut ISFIN.

La personne recrutée présentera un projet en fort lien avec les problématiques de la fusion magnétique s’insérant dans les activités d’une des cinq équipes concernées. Ces équipes travaillent sur l’étude expérimentale, théorique et numérique :

  • des plasmas et de leur dynamique,
  • des interactions plasma-paroi,
  • de la physique des surfaces et des matériaux pour la fusion.

Le développement, la mise en oeuvre et l’interprétation de diagnostics constitue également un axe d’activité. Ces recherches sont menées en fort lien avec l’international, en particulier au niveau européen dans le cadre du consortium EUROfusion, et en collaboration étroite avec les acteurs présents dans la région (CEA Cadarache, ITER). Une expérience dans le domaine de la fusion par confinement magnétique sera appréciée.

Les compétences attendues pour ce recrutement sont théoriques et/ou numériques et/ou expérimentales, selon l’équipe d’accueil et la nature du projet. Les candidates et candidats devront clairement expliciter leur projet d’intégration dans l’équipe ciblée.

Volet enseignement

La partie enseignement s’effectuera au département de physique de la Faculté des Sciences.

La personne recrutée dispensera des enseignements de physique et/ou de physico-chimie à tous les niveaux, dans les trois entrées en L1 (AMNS, « L1en2ans » et portail) et dans l’ensemble des formations de physique gérées par le département, sur quatre sites d’enseignements (Marseille Saint-Charles, Saint-Jérôme, Luminy, Aix-Montperrin), et notamment dans les licences Physique et Physique-Chimie, le master de Physique Fondamentale et Applications, le master Instrumentation Mesure Métrologie, et le master de Nanosciences et nanotechnologies « Nano2 ». Un intérêt pour les pratiques pédagogiques actives et innovantes adaptées aux nouveaux publics universitaires, et/ou la capacité à enseigner en anglais dans les formations du département ouvertes à l’international seraient particulièrement appréciés.

 

Chercheur (H/F) en caractérisation de nanomatériaux innovants à base de carbone

Un poste de CDD chercheur entièrement financé (2 ans), dans le cadre du projet i-DEMO régionalisé (France 2030) M.A.G.I.C. (Matériaux Avancés pour l’Innovation en Graphène et Cristallographie), est proposé jusqu’au 1er avril 2025 dans le laboratoire « Physique des Interactions Ioniques et Moléculaires » (PIIM) d’Aix-Marseille Université, CNRS (France).

Dans le cadre du projet M.A.G.I.C., le laboratoire recherche une chercheuse ou un chercheur postdoctoral expérimentateur pour travailler sur le développement et la caractérisation de nanomatériaux innovants à base de carbone, tels que le Ginestium©, le graphène rhomboédrique multicouche et d’autres systèmes pertinents. Le Ginestium© est un matériau de carbone nanostructuré développé par la société EffiBLUE (https://effiblue.com). Le graphène rhomboédrique multicouche et certains graphènes torsadés à quelques couches sont connus pour être supraconducteurs à une température proche de 1K. La manipulation des propriétés structurelles des matériaux à base de carbone, telles que le rapport sp2/sp3 et les configurations d’empilement, permet de régler avec précision leurs caractéristiques physiques, notamment la conductivité électronique, la réponse optique et la résistance mécanique. Ces matériaux accordables présentent un potentiel important pour des applications dans les secteurs de l’électronique, des télécommunications et de l’énergie.

Cette offre d’emploi complète est consultable ici. Les candidatures devront être envoyées via l’espace candidat du site du CNRS.

 

Thèse (H/F) – Physique – Expérimentation – AE/2

Organisme : Aix-Marseille Université

Laboratoire : PIIM UMR 7345

Localisation : Campus Saint-Jérôme

Superviseur : Alexandre Escarguel

Financement : Projet AMIDEX Aix-Marseille Université «Table Top Accretion Disks».

e-mail : alexandre.escarguel@univ-amu.fr

 

Analyse et contrôle de l’auto-organisation de la colonne de plasma magnétisé ExB dans le cadre de l’étude des mécanismes d’accrétion astrophysiques

 

Cette thèse propose une manière innovante d’utiliser une expérience de laboratoire pour étudier les disques rotatifs képlériens en astrophysique. En effet, les disques d’accrétion stellaires sont des systèmes complexes dont la dynamique couvre un grand nombre de domaines de recherche. Ils sont en effet constitués de poussières, de gaz neutres et de plasmas en orbite autour d’étoiles jeunes ou naissantes et sont à l’origine de la formation de planètes [1]. En lien avec les capacités d’observation des instruments modernes tels que le télescope spatial James Webb [2], des efforts intenses sont aujourd’hui entrepris pour expliquer les mécanismes d’accrétion et la formation des disques. La question de savoir comment une rotation képlérienne peut conduire à un transport de matière vers le centre est encore débattue, puisque la diffusion collisionnelle est négligeable dans ces systèmes, et que les disques képlériens sont stables en ce qui concerne les instabilités hydrodynamiques classiques. La façon dont les instabilités et le transport se produisent peut être élucidée en mettant en place des dispositifs expérimentaux dédiés. Les expériences de plasma en laboratoire avec rotation contrôlée du plasma constituent un moyen innovant d’explorer ces questions scientifiques.

Mistral est une expérience de plasma froid magnétisé avec un champ magnétique constant [3, 4, 5, 6]. Il s’agit d’une expérience canonique pour étudier divers types d’instabilités dans les plasmas ExB faiblement magnétisés, comme les instabilités centrifuges [7]. En présence d’un champ magnétique B perpendiculaire à un champ électrique E, les particules chargées dérivent dans la direction ExB. Combinée aux inhomogénéités du plasma, cette dérive est propice à l’apparition d’instabilités qui augmentent considérablement le transport à travers le champ magnétique B («anomalous transport»). Ces configurations à travers le champ sont exploitées dans de nombreuses applications.

Les plasmas en rotation sont facilement obtenus dans l’expérience Mistral, mais il y a un manque de contrôle de la rotation différentielle azimutale. Ceci peut être réalisé par un contrôle fin du profil du champ électrique radial dans le plasma. En effet, la prédiction des propriétés de rotation et le contrôle des profils d’écoulement restent un problème ouvert en ce qui concerne les plasmas rotatifs dans de tels dispositifs.

Des travaux antérieurs dans notre réseau SoPlasma (https://gitlab.com/soplasma/soplasma), y compris le dispositif Mistral, ont montré que la rotation des plasmas peut être difficile à contrôler. Des progrès récents permettent toutefois d’atteindre cet objectif important grâce à l’utilisation de cathodes concentriques froides ou chaudes [8, 9]. Un autre moyen possible de contrôler la rotation de la colonne de plasma spécifique à Mistral est de contrôler les électrons ionisants énergétiques dans Mistral par des grilles concentriques indépendantes.

L’étude de l’auto-organisation du plasma et le contrôle expérimental de sa rotation constituent l’objectif principal de cette proposition de doctorat. Premièrement, le doctorant étudiera les zones de stabilité/turbulence dans l’espace des paramètres (pression du plasma et conditions aux limites) par l’acquisition expérimentale des paramètres du plasma à l’aide de sondes de Langmuir, d’une caméra rapide et de la tomographie optique. Deuxièmement, de nouvelles configurations expérimentales innovantes seront étudiées pour mieux contrôler la rotation différentielle azimutale du plasma : grilles concentriques contrôlant l’injection d’électrons ionisants et cathodes froides/chaudes placées à l’extrémité de la colonne de plasma.

Enfin, une comparaison des résultats expérimentaux avec la théorie permettra de mieux comprendre la physique de la rotation du plasma ExB pour finalement proposer un dispositif expérimental avec une rotation képlérienne du plasma. L’importance de cette partie sera modulée en fonction de la motivation de l’étudiant pour le travail théorique.

Le projet, s’inscrivant dans le cadre du projet AMIDEX (« Initiative d’excellence » de l’Université d’Aix-Marseille Université) « Table Top Accretion Disks », est financé à 100%. 

Références

[1] G. R. J. Lesur, J. Plasma Phys. 87 205870101 (2021) [2] Burrows et al, Astrophys. J 473, 437 (1996),https://jwst.nasa.gov

[3] N. Claire, A. Escarguel, C. Rebont, F. Doveil, Phys.Plasma 25, 061203 (2018)

[4] A. Escarguel, Eur. Phys. J. D, 56, 209-214 (2010).

[5] Th. Pierre, A. Escarguel, D. Guyomarc’h, R. Barni, C. Riccardi, Phys. Rev. Lett., 92, 065004 (2004).

[6] S. Aggarwal, Y. Camenen, A. Escarguel, and A. Poye, Journal Plasma Phys., 89(3), 905890310 (2023).

[7] R. Gueroult et al, Phys. Plasmas 082102 (2017)

[8] B. Trotabas and R. Gueroult, Plasma Sources Sci. Technol. 31, 025001 (2022)

[9] V.Désangles et al, J. Plasma Phys. 87, 905870308 (2021) and Désangles, Ph.D. thesis, Ecole Normale Supérieure de Lyon, France (2018)

Stage M2 – 2025 – Physique – Expérimentation – TP/AE/3

Organisme : Aix-Marseille Université

Laboratoire : PIIM UMR 7345

Lieu : Campus Saint-Jérôme

Superviseur : Alexandre Escarguel

Financement : Projet AMIDEX Aix-Marseille Université «Table Top Accretion Disks».

e-mail : alexandre.escarguel@univ-amu.fr

 

Analyse et contrôle de l’auto-organisation de la colonne de plasma magnétisé ExB dans le cadre de l’étude des mécanismes d’accrétion astrophysiques

 

Ce stage est la première étape d’un sujet de doctorat financé, dans le cadre du projet « Table Top Accretion Disk ». Il propose une manière innovante d’utiliser une expérience de laboratoire pour étudier les disques rotatifs képlériens en astrophysique. En effet, les disques d’accrétion stellaires sont des systèmes complexes dont la dynamique couvre un grand nombre de domaines de recherche. Ils sont en effet constitués de poussières, de gaz neutres et de plasmas en orbite autour d’étoiles jeunes ou naissantes et sont à l’origine de la formation de planètes [1]. En lien avec les capacités d’observation des instruments modernes tels que le télescope spatial James Webb [2], des efforts intenses sont aujourd’hui entrepris pour expliquer les mécanismes d’accrétion et la formation des disques. La question de savoir comment une rotation képlérienne peut conduire à un transport de matière vers le centre est encore débattue, puisque la diffusion collisionnelle est négligeable dans ces systèmes, et que les disques képlériens sont stables en ce qui concerne les instabilités hydrodynamiques classiques. La façon dont les instabilités et le transport se produisent peut être élucidée en mettant en place des dispositifs expérimentaux dédiés. Les expériences de plasma en laboratoire avec rotation contrôlée du plasma constituent un moyen innovant d’explorer ces questions scientifiques.

Mistral est une expérience de plasma froid magnétisé avec un champ magnétique constant [3, 4, 5, 6]. Il s’agit d’une expérience canonique pour étudier divers types d’instabilités dans les plasmas ExB faiblement magnétisés, comme les instabilités centrifuges [7]. En présence d’un champ magnétique B perpendiculaire à un champ électrique E, les particules chargées dérivent dans la direction ExB. Combinée aux inhomogénéités du plasma, cette dérive est propice à l’apparition d’instabilités qui augmentent considérablement le transport à travers le champ magnétique B (« anomalous transport »). Ces configurations à travers le champ sont exploitées dans de nombreuses applications.

Les plasmas en rotation sont facilement obtenus dans l’expérience Mistral, mais il y a un manque de contrôle de la rotation différentielle azimutale. Ceci peut être réalisé par un contrôle fin du profil du champ électrique radial dans le plasma. En effet, la prédiction des propriétés de rotation et le contrôle des profils d’écoulement restent un problème ouvert en ce qui concerne les plasmas rotatifs dans de tels dispositifs. Des travaux antérieurs dans notre réseau SoPlasma (https://gitlab.com/soplasma/soplasma), y compris le dispositif Mistral, ont montré que la rotation des plasmas peut être difficile à contrôler. Des progrès récents permettent toutefois d’atteindre cet objectif important grâce à l’utilisation de cathodes concentriques froides ou chaudes [8, 9]. Un autre moyen possible de contrôler la rotation de la colonne de plasma spécifique à Mistral est de contrôler les électrons ionisants énergétiques dans Mistral par des grilles concentriques indépendantes.

L’étude de l’auto-organisation du plasma et le contrôle expérimental de sa rotation constituent l’objectif principal de ce travail. L’étudiant étudiera les zones de stabilité/turbulence dans l’espace des paramètres (pression du plasma et conditions aux limites) par l’acquisition expérimentale des paramètres du plasma à l’aide de sondes de Langmuir et d’une caméra rapide. Ceci permettra de trouver le régime de plasma le plus adapté pour le contrôle de la rotation différentielle du plasma. En parallèle, une approche théorique sera mise en place. L’importance de cette partie sera modulée en fonction de la motivation de l’étudiant pour le travail théorique.

Le projet, s’inscrivant dans le cadre du projet AMIDEX (Initiative d’excellence de l’Université d’Aix-Marseille Université) « Table Top Accretion Disks », est financé à 100%.

 

Références

[1] G. R. J. Lesur, J. Plasma Phys. 87 205870101 (2021) [2] Burrows et al, Astrophys. J 473, 437 (1996), https://jwst.nasa.gov

[3] N. Claire, A. Escarguel, C. Rebont, F. Doveil, Phys.Plasma 25, 061203 (2018)

[4] A. Escarguel, Eur. Phys. J. D, 56, 209-214 (2010).

[5] Th. Pierre, A. Escarguel, D. Guyomarc’h, R. Barni, C. Riccardi, Phys. Rev. Lett., 92, 065004 (2004).

[6] S. Aggarwal, Y. Camenen, A. Escarguel, and A. Poye, Journal Plasma Phys., 89(3), 905890310 (2023).

[7] R. Gueroult et al, Phys. Plasmas 082102 (2017)

[8] B. Trotabas and R. Gueroult, Plasma Sources Sci. Technol. 31, 025001 (2022)

[9] V.Désangles et al, J. Plasma Phys. 87, 905870308 (2021) and Désangles, Ph.D. thesis, Ecole Normale Supérieure de Lyon, France (2018)

 

Stage M1 – 2025 – Physique – Expérimentation – TP/AE/2

Organisme : Aix-Marseille Université

Laboratoire : PIIM UMR 7345

Localisation : Campus Saint-Jérôme

Superviseur : Alexandre Escarguel

e-mail : alexandre.escarguel@univ-amu.fr

Analyse et contrôle de l’auto-organisation de la colonne de plasma magnétisé ExB dans le cadre de l’étude des mécanismes d’accrétion astrophysiques

Ce stage M1 se déroulera dans le cadre du projet A*MIDEX (« Initiative d’excellence » d’Aix-Marseille Université) « Table Top Accretion Disks », qui propose une manière innovante d’utiliser une expérience de laboratoire pour étudier les disques rotatifs képlériens en astrophysique. En effet, les disques d’accrétion stellaires sont des systèmes complexes dont la dynamique couvre un grand nombre de domaines de recherche. Ils sont en effet constitués de poussières, de gaz neutres et de plasmas en orbite autour d’étoiles jeunes ou naissantes et sont à l’origine de la formation de planètes [1]. En lien avec les capacités d’observation des instruments modernes tels que le télescope spatial James Webb [2], des efforts intenses sont aujourd’hui entrepris pour expliquer les mécanismes d’accrétion et la formation des disques. La question de savoir comment une rotation képlérienne peut conduire à un transport de matière vers le centre est encore débattue, puisque la diffusion collisionnelle est négligeable dans ces systèmes, et que les disques képlériens sont stables en ce qui concerne les instabilités hydrodynamiques classiques. La façon dont les instabilités et le transport se produisent peut être élucidée en mettant en place des dispositifs expérimentaux dédiés. Les expériences de plasma en laboratoire avec rotation contrôlée du plasma constituent un moyen innovant d’explorer ces questions scientifiques.

Mistral est une expérience de plasma froid magnétisé avec un champ magnétique constant [3, 4, 5, 6]. Il s’agit d’une expérience canonique pour étudier différents types d’instabilités des plasmas ExB faiblement magnétisés, tels que les instabilités centrifuges [7]. En présence d’un champ magnétique B perpendiculaire à un champ électrique E, les particules chargées dérivent dans la direction ExB. Combinée aux inhomogénéités du plasma, cette dérive est propice à l’apparition d’instabilités qui augmentent considérablement le transport à travers le champ magnétique B (« anomalous transport »). Ces configurations à travers le champ sont exploitées dans de nombreuses applications.

Les plasmas en rotation sont facilement obtenus dans l’expérience Mistral, mais il y a un manque de contrôle de la rotation différentielle azimutale. Ceci peut être réalisé par un contrôle fin du profil du champ électrique radial dans le plasma. En effet, la prédiction des propriétés de rotation et le contrôle des profils d’écoulement restent un problème ouvert concernant les plasmas rotatifs dans de tels dispositifs. Des travaux antérieurs dans notre réseau SoPlasma (https://gitlab.com/soplasma/soplasma), y compris le dispositif Mistral, ont montré que la rotation des plasmas peut être difficile à contrôler. Des progrès récents permettent toutefois d’atteindre cet objectif important grâce à l’utilisation de cathodes concentriques froides ou chaudes [8, 9]. Un autre moyen possible de contrôler la rotation de la colonne de plasma spécifique à Mistral est de contrôler les électrons ionisants énergétiques dans Mistral par des grilles concentriques indépendantes.

L’étude des électrons énergétiques ionisants dans Mistral est l’objectif principal de ce travail. L’étudiant étudiera sa fonction de distribution d’énergie avec des sondes de Langmuir et des analyseurs de champ retardateur dans l’espace des paramètres de Mistral (pression du plasma et conditions aux limites). Ceci permettra de trouver le régime de plasma le plus adapté pour le contrôle de la rotation différentielle du plasma.

 

Références

[1] G. R. J. Lesur, J. Plasma Phys. 87 205870101 (2021) [2] Burrows et al, Astrophys. J 473, 437 (1996), https://jwst.nasa.gov

[3] N. Claire, A. Escarguel, C. Rebont, F. Doveil, Phys.Plasma 25, 061203 (2018)

[4] A. Escarguel, Eur. Phys. J. D, 56, 209-214 (2010).

[5] Th. Pierre, A. Escarguel, D. Guyomarc’h, R. Barni, C. Riccardi, Phys. Rev. Lett., 92, 065004 (2004).

[6] S. Aggarwal, Y. Camenen, A. Escarguel, and A. Poye, Journal Plasma Phys., 89(3), 905890310 (2023).

[7] R. Gueroult et al, Phys. Plasmas 082102 (2017)

[8] B. Trotabas and R. Gueroult, Plasma Sources Sci. Technol. 31, 025001 (2022)

[9] V.Désangles et al, J. Plasma Phys. 87, 905870308 (2021) and Désangles, Ph.D. thesis, Ecole Normale Supérieure de Lyon, France (2018)

 

Thèse (H/F) – Physique – Expérimentation – AE/1

Laboratoire : PIIM/Equipe Turbulence Plasma

Superviseurs : Alexandre Escarguel et Laurence Cherigier-Kovacic

Tel: 06 42 54 87 97

Email : alexandre.escarguel@univ-amu.fr ; laurence.kovacic@univ-amu.fr

Financement : Ecole doctorale de physique et sciences de la matière d’Aix-Marseille Université 352

Objet : Diagnostic optique du champ électrique dans un plasma magnétisé par émission Lyman-alpha stimulée (EFILE). 

Description du sujet :

Cadre du projet et description de l’expérience :

Les plasmas résultent de l’ionisation partielle ou totale de gaz neutres. Le couplage entre les champs (électrique, magnétique) et les particules chargées conduit à des effets collectifs et à des turbulences, spécifiques à ces milieux. Leur comportement et leurs domaines d’application dépendent de la température des ions : les plasmas froids sont utilisés dans l’industrie pour le traitement de surface (gravure de circuits,) ; les plasmas chauds sont produits dans les tokamaks (Tore-Supra, ITER…) afin de produire de l’énergie à partir de la fusion contrôlée. Dans les deux cas, il est essentiel de déterminer les paramètres fondamentaux associés aux espèces chargées présentes dans les plasmas.

L’équipe Turbulence Plasma a développé un diagnostic optique (EFILE) pour la mesure directe d’un champ électrique dans le vide ou dans un plasma [1, 2]. Ce diagnostic est basé sur l’émission de la raie Lyman-α par un faisceau sonde d’hydrogène dans l’état 2s soumis à un champ électrique. En raison du couplage 2s-2p créé par le champ, les atomes du niveau 2s (métastable) sont transférés au niveau 2p, qui se désexcite ensuite rapidement jusqu’au niveau fondamental. L’intensité de l’émission Lyman-α induite par le champ électrique est proportionnelle au carré de l’amplitude du champ. Ce diagnostic a été validé expérimentalement dans une configuration cylindrique simple, dans le vide et dans un plasma non magnétisé.

Objectif et description du sujet :

L’objectif de la thèse est de mesurer le champ électrique dans un plasma magnétisé. Le diagnostic EFILE est mis en œuvre sur la machine MISTRAL de l’équipe Turbulence Plasma du laboratoire PIIM. La machine MISTRAL [3, 4] produit une colonne de plasma froid dans un champ magnétique linéaire, sur une large gamme de paramètres. Il s’agit d’une machine de recherche fondamentale dont la configuration linéaire simplifie l’étude des instabilités dans un plasma magnétisé (par rapport aux tokamaks où la courbure du champ magnétique induit des phénomènes plus complexes). Mistral est le dispositif idéal pour valider le diagnostic EFILE qui est un moyen unique de mesurer le champ électrique de manière directe et non intrusive.

Le travail actuel se concentre sur l’étude de l’influence du champ magnétique sur la mesure d’un champ électrique de manière directe et non intrusive en différents points le long du rayon de la machine. Ces deux aspects sont étudiés dans le vide ou dans un plasma, indépendamment l’un de l’autre, afin de bien comprendre l’influence du champ magnétique sur le diagnostic.

Le doctorant sélectionné procédera à la mesure du champ électrique qui,magnétique, est responsable de la rotation des instabilités non linéaires de la colonne de plasma [5, 6].

L’objectif général de ce travail est de développer un diagnostic pour la mesure absolue d’un champ électrique statique ou oscillant qui peut être transféré à différents systèmes et appliqué à divers problèmes de recherche actuels en physique des plasmas. Dans ce cadre, le diagnostic sera appliqué par le doctorant à l’étude des gaines de plasma, une question interdisciplinaire impliquant les plasmas froids, les plasmas chauds, les mathématiques appliquées, les théories, les simulations et les expériences [4].

Ce projet est financé par la FR-FCM (Fédération de Recherche sur la Fusion Contrôlée par Confinement Magnétique).

 

Références

[[1] L. Chérigier-Kovacic, P. Ström, A. Lejeune and F. Doveil, Review of Scientific Instruments 86, 063504(2015); doi: 10.1063/1.4922856

[2] L. Chérigier-Kovacic, Static and RF electric field direct measurement based on Lyman-a emission from a hydrogen probe beam ; Invited talk @ XXXIV ICPIG conference, July 14-19 2019, Sapporo, Japan.

[3] A. Escarguel, ExB workshop, nov 2018, Princeton Plasma Physic Lab, USA.

[4] Atelier Gaine Plasma 4-6 novembre 2024, Marseille, https://gaine2024.sciencesconf.org/?lang=fr (consulté le 30 novembre 2024).

 

Stage M2 – 2025 – Physique – Expérimentation – TP/AE/1

Laboratoire : PIIM/Equipe Turbulence Plasma

Superviseurs : Alexandre Escarguel et Laurence Cherigier-Kovacic

Tel: 06 42 54 87 97

Email : alexandre.escarguel@univ-amu.fr; laurence.kovacic@univ-amu.fr

Objet : Diagnostic optique du champ électrique dans un plasma magnétisé par émission Lyman-alpha stimulée (EFILE).

Description du sujet :

Cadre du projet et description de l’expérience :

Les plasmas résultent de l’ionisation partielle ou totale de gaz neutres. Le couplage entre les champs (électrique, magnétique) et les particules chargées conduit à des effets collectifs et à des turbulences, spécifiques à ces milieux. Leur comportement et leurs domaines d’application dépendent de la température des ions : les plasmas froids sont utilisés dans l’industrie pour le traitement de surface (gravure de circuits,) ; les plasmas chauds sont produits dans les tokamaks (Tore-Supra, ITER…) afin de produire de l’énergie à partir de la fusion contrôlée. Dans les deux cas, il est essentiel de déterminer les paramètres fondamentaux associés aux espèces chargées présentes dans les plasmas.

L’équipe Turbulence Plasma a développé un diagnostic optique (EFILE) pour la mesure directe d’un champ électrique dans le vide ou dans un plasma [1, 2]. Ce diagnostic est basé sur l’émission de la raie Lyman-α par un faisceau sonde d’hydrogène dans l’état 2s soumis à un champ électrique. En raison du couplage 2s-2p créé par le champ, les atomes du niveau 2s (métastable) sont transférés au niveau 2p, qui se désexcite ensuite rapidement jusqu’au niveau fondamental. L’intensité de l’émission Lyman-α induite par le champ électrique est proportionnelle au carré de l’amplitude du champ. Ce diagnostic a été validé expérimentalement dans une configuration cylindrique simple, dans le vide et dans un plasma non magnétisé. 

Objectif et description du sujet :

L’objectif est de mesurer le champ électrique dans un plasma magnétisé. Le diagnostic EFILE est mis en œuvre sur la machine MISTRAL de l’équipe Turbulence Plasma du laboratoire PIIM. La machine MISTRAL [3, 4] produit une colonne de plasma froid dans un champ magnétique linéaire, sur une large gamme de paramètres. Il s’agit d’une machine de recherche fondamentale dont la configuration linéaire simplifie l’étude des instabilités dans un plasma magnétisé (par rapport aux tokamaks où la courbure du champ magnétique induit des phénomènes plus complexes). Mistral est le dispositif idéal pour valider le diagnostic EFILE qui est un moyen unique de mesurer le champ électrique de manière directe et non intrusive.

Le travail actuel se concentre sur l’étude de l’influence du champ magnétique sur la mesure d’un champ électrique de manière directe et non intrusive en différents points le long du rayon de la machine. Ces deux aspects sont étudiés dans le vide ou dans un plasma, indépendamment l’un de l’autre, afin de bien comprendre l’influence du champ magnétique sur le diagnostic.

Le candidat sélectionné procédera à la mesure du champ électrique qui,magnétique, est responsable de la rotation des instabilités non linéaires de la colonne de plasma [5, 6].

L’objectif général de ce travail est de développer un diagnostic pour la mesure absolue d’un champ électrique statique ou oscillant qui peut être transféré à différents systèmes et appliqué à divers problèmes de recherche actuels en physique des plasmas. Dans ce cadre, le diagnostic sera appliqué par le candidat à l’étude des gaines de plasma, une question interdisciplinaire impliquant les plasmas froids, les plasmas chauds, les mathématiques appliquées, les théories, les simulations et les expériences [4].

Ce projet est financé par la FR-FCM (Fédération de Recherche sur la Fusion Contrôlée par Confinement Magnétique).

 

Reférences

[[1] L. Chérigier-Kovacic, P. Ström, A. Lejeune and F. Doveil, Review of Scientific Instruments 86, 063504(2015); doi: 10.1063/1.4922856

[2] L. Chérigier-Kovacic, Static and RF electric field direct measurement based on Lyman-a emission from a hydrogen probe beam ; Invited talk @ XXXIV ICPIG conference, July 14-19 2019, Sapporo, Japan.

[3] A. Escarguel, ExB workshop, nov 2018, Princeton Plasma Physic Lab, USA.

[4] Atelier Gaine Plasma 4-6 novembre 2024, Marseille, https://gaine2024.sciencesconf.org/?lang=fr (consulté le 30 novembre 2024).

 

Stage M2 – Physique – Modélisation – PATP/MK/1

Durée : 4-6 mois

Laboratoire: PIIM, UMR7345, groupe PATP (Physique Atomique et Transport dans les Plasmas) 

Superviseur: Mohammed KOUBITI (mohammed.koubiti@univ-amu.fr)

Adresse: Campus St Jérôme, Service 232, Av. Escadrille Normandie Niemen, Marseille

 Téléphone : +33 (0)4 13 94 64 47 

Type de recherche : Théorie/Modélisation numérique/Comparaison avec des données expérimentales 

Description du sujet : L’intelligence artificielle (IA) est de plus en plus utilisée en physique, notamment dans les plasmas de fusion magnétique. Par exemple, un algorithme d’apprentissage automatique (ML) [1] a été utilisé récemment pour prédire les paramètres du plasma pour les dispositifs à plasma linéaire PISCES-B et NAGDIS [2-3]. Contrairement à la technique standard du rapport des raies qui repose sur une modélisation collisionnelle-radiative [4], dans [2-3], aucun modèle physique n’est associé aux mesures spectroscopiques. Plus précisément, en utilisant les intensités de quelques raies de l’hélium neutre, la densité électronique et la température ont été prédites par l’algorithme ML et comparées à leurs valeurs mesurées par des techniques de diagnostic indépendantes telles que les sondes de Langmuir ou la diffusion Thomson [2-3]. Dans cette proposition de stage, nous proposons d’appliquer des techniques d’apprentissage profond aux spectres de raies des isotopes de l’hydrogène dans les plasmas de tokamaks. Nous appliquerons en particulier les réseaux neuronaux denses (DNN) et les réseaux neuronaux convolutifs (CNN) aux spectres générés des isotopes de l’hydrogène dans le but de diagnostiquer les plasmas et de prédire les expériences futures. L’objectif de l’application des techniques DL à l’émission de raies des isotopes de l’hydrogène dans les tokamaks est la prédiction du rapport isotopique de l’hydrogène (défini comme D/(D+T) pour un mélange D-T) dont la connaissance est d’une grande importance pour des raisons de sécurité et pour le contrôle de la performance de la réaction [5-6].

Les algorithmes peuvent également être appliqués aux spectres d’impuretés pour prédire leurs paramètres de plasma tels que la température des électrons. Le candidat aura pour tâche de développer un programme informatique (en Python) permettant d’appliquer les algorithmes DNN et CNN aux spectres des raies Ha/Da/Ta générés par un code existant pour différentes conditions en termes de températures neutres, de densités de population neutre, d’intensité du champ magnétique et de rapport isotopique de l’hydrogène. Grâce à son implication dans les tâches d’analyse de données du plan de travail EUROfusion Tokamak Exploitation (TE) pour plusieurs tokamaks dont le JET, le candidat pourra également appliquer les modèles d’apprentissage profond entraînés aux données expérimentales provenant de dispositifs tels que le JET et/ou WEST. 

  1. F. Pedregosa et al 2011 the Journal of machine Learning research 12 2825
  2. S. Kajita et al 2020 AIP Advances 10 025225
  3. D. Nishijima et al 2021 Rev. Sci. Instrum. 92 023505
  4. S. Kajita et al 2021 Plasma Phys. Control. Fusion 63 055018
  5. M. Koubiti and M. Kerebel 2022 Appl Sci 12 9891
  6.  N. Saura, M. Koubiti, S. Benkadda, Study of line spectra emitted by hydrogen isotopes in tokamaks through Deep-Learning algorithms, submitted to Journal of Nuclear Material Energy (2024).

Ce stage peut être suivi d’une thèse de doctorat financée par l’école doctorale ED352.

STAGE M2 – Physique – Modélisation – PTM/MM/1

Par nature, un plasma est composé de particules chargées qui, en réponse aux champs électromagnétiques qu’elles génèrent ou qui leur sont appliqués, présentent des comportements collectifs dont découle la quasi-neutralité à des échelles spatiales supérieures aux longueurs de Debye.

Cette propriété s’effondre lorsque le plasma rencontre une frontière solide où une gaine non neutre se forme à des échelles de longueur de Debye et, potentiellement, a un impact profond sur la dynamique globale, c’est-à-dire loin des frontières.

La dynamique des ions et des électrons, en raison de leur différence de masse, évolue à des échelles temporelles différentes. En particulier, lorsqu’ils s’approchent d’un objet externe, qui peut être une frontière de dispositif dans les expériences ou des corps dans des contextes astrophysiques, des phénomènes physiques multi-échelles émergent, en particulier lorsque la gaine est formée. Les surfaces immergées dans un plasma peuvent émettre des électrons secondaires qui modifient la physique de la gaine. De plus, certaines théories numériques prédisent une « gaine inverse » [1].

La physique de la gaine du plasma est d’un intérêt majeur dans les domaines de la physique de laboratoire, de l’astrophysique et de la fusion par confinement magnétique (tokamaks,…). De nombreuses études ont été consacrées à la compréhension de la gaine de plasma [2]. Cependant, les comparaisons entre les modèles théoriques et l’expérience peuvent parfois montrer des désaccords, en particulier dans la gaine où des électrons secondaires sont émis [1, 3, 4].

Dans ce contexte, le premier objectif de ce stage est d’améliorer la comparaison entre les modèles (déjà existants) et les expériences de gaine de plasma électrostatique. Les modèles développés seront comparés aux résultats expérimentaux sur les gaines émissives obtenus par le groupe expérimental du laboratoire PIIM. Le deuxième objectif du stage est d’améliorer le modèle ajoutant l’impact d’un champ magnétique oblique sur les propriétés de la gaine.

Il s’agit ici d’améliorer la connaissance fondamentale des mécanismes physiques en jeu dans une gaine de plasma magnétisé qui est cruciale pour les plasmas de fusion.

L’étudiant doit avoir des connaissances de niveau master en mathématiques, en calcul numérique et en physique des plasmas pour effectuer des calculs théoriques et participer au développement de codes numériques.

Il aura à sa disposition les codes fluides [5] et cinétiques développés au PIIM.

Le stage de maîtrise sera supervisé au laboratoire PIIM par M. Muraglia.

Ce sujet est associé à un sujet de thèse financé par AMIDEX qui sera dirigé par M. Muraglia et co-dirigé par G. Fubiani (laboratoire Laplace à Toulouse) et supervisé par N.Claire (PIIM).

Références

[1] M. D. Campanell, Phys. Rev E 88, 033103 (2013)

[2] R. N. Franklin, J. Phys. D: Appl. Phys. 36, R309 (2003)

[3] V. Pigeon et al, Phys. Plasmas 27, 043505 (2020)

[4] D. Coulette et al, Phys. Plasmas 22, 0043505 (2015)

[5] J-H Mun et al [tPhys. Plasmas 31, 073906 (2024)]

[6] M. D. Campanell and M.V. Umansky, Physics of Plasmas 24, 057101 (2017)

Thèse – Physique – Expérimentation – 2025/2028 – AE

Analyse et contrôle de l’auto-organisation de la colonne de plasma magnétisé ExB dans le cadre de l’étude des mécanismes d’accrétion en astrophysique

Cette thèse propose une manière innovante d’utiliser une expérience de laboratoire pour étudier les disques rotatifs képlériens en astrophysique. En effet, les disques d’accrétion stella@r sont des systèmes complexes dont la dynamique couvre un grand nombre de domaines de recherche. Ils sont en effet constitués de poussières, de gaz neutres et de plasmas en orbite autour d’étoiles jeunes ou naissantes et sont à l’origine de la formation de planètes [1]. En lien avec les capacités d’observation des instruments modernes tels que le télescope spatial James Webb [2], des efforts intenses sont aujourd’hui entrepris pour expliquer les mécanismes d’accrétion et la formation des disques. La question de savoir comment une rotation képlérienne peut conduire à un transport de matière vers le centre est encore débattue, puisque la diffusion collisionnelle est négligeable dans ces systèmes, et que les disques képlériens sont stables en ce qui concerne les instabilités hydrodynamiques classiques. La façon dont les instabilités et le transport se produisent peut être élucidée en mettant en place des dispositifs expérimentaux dédiés. Les expériences de plasma en laboratoire avec rotation contrôlée du plasma constituent un moyen innovant d’explorer ces questions scientifiques.

Mistral est une expérience de plasma froid magnétisé avec un champ magnétique constant [3, 4, 5, 6]. Il s’agit d’une expérience canonique pour étudier divers types d’instabilités dans les plasmas ExB faiblement magnétisés, comme les instabilités centrifuges [7]. En présence d’un champ magnétique B perpendiculaire à un champ électrique E, les particules chargées dérivent dans la direction ExB. Combinée aux inhomogénéités du plasma, cette dérive est propice à l’apparition d’instabilités qui augmentent considérablement le transport à travers le champ magnétique B (« anomalous transport »). Ces configurations à travers le champ sont exploitées dans nombreuses applications.

L’expérience Mistral permet d’obtenir facilement des plasmas en rotation, mais le contrôle de la rotation différentielle azimutale fait défaut. Ceci peut être réalisé par un contrôle fin du profil du champ électrique radial dans le plasma. En effet, la prédiction des propriétés de rotation et le contrôle des profils d’écoulement restent un problème ouvert en ce qui concerne les plasmas rotatifs dans de tels dispositifs. Des travaux antérieurs dans notre réseau SoPlasma (https://gitlab.com/soplasma/soplasma), y compris le dispositif Mistral , ont montré que la rotation des plasmas peut être difficile à contrôler. Des progrès récents permettent toutefois d’atteindre cet objectif important grâce à l’utilisation de cathodes concentriques froides ou chaudes [8, 9]. Un autre moyen possible de contrôler la rotation de la colonne de plasma spécifique à Mistral est de contrôler les électrons ionisants énergétiques dans Mistral par des grilles concentriques indépendantes.

L’étude de l’auto-organisation du plasma et le contrôle expérimental de sa rotation constituent l’objectif principal de cette proposition de doctorat. Premièrement, le doctorant étudiera les zones de stabilité/turbulence dans l’espace des paramètres (pression du plasma et conditions aux limites) par l’acquisition expérimentale des paramètres du plasma à l’aide de sondes de Langmuir, d’une caméra rapide et de la tomographie optique. Deuxièmement, de nouvelles configurations expérimentales innovantes seront étudiées pour mieux contrôler la rotation différentielle azimutale du plasma : des grilles concentriques contrôlant l’injection d’électrons ionisants et des cathodes froides/chaudes placées à l’extrémité de la colonne de plasma.

Enfin, une comparaison des résultats expérimentaux avec la théorie permettra de mieux comprendre la physique de la rotation du plasma ExB pour finalement proposer un dispositif expérimental avec une rotation képlérienne du plasma. L’importance de cette partie sera modulée en fonction de la motivation de l’étudiant pour le travail théorique.

Le projet, s’inscrivant dans le cadre du projet AMIDEX (« Initiative d’excellence » d’Aix-Marseille Université) « Table Top Accretion Disks », est financé à 100%.

References

[1] G. R. J. Lesur, J. Plasma Phys. 87 205870101 (2021) [2] Burrows et al, Astrophys. J 473, 437 (1996),

https://jwst.nasa.gov

[3] N. Claire, A. Escarguel, C. Rebont, F. Doveil, Phys.Plasma 25, 061203 (2018)

[4] A. Escarguel, Eur. Phys. J. D, 56, 209-214 (2010).

[5] Th. Pierre, A. Escarguel, D. Guyomarc’h, R. Barni, C. Riccardi, Phys. Rev. Lett., 92, 065004 (2004).

[6] S. Aggarwal, Y. Camenen, A. Escarguel, and A. Poye, Journal Plasma Phys., 89(3), 905890310 (2023).

[7] R. Gueroult et al, Phys. Plasmas 082102 (2017)

[8] B. Trotabas and R. Gueroult, Plasma Sources Sci. Technol. 31, 025001 (2022)

[9] V.Désangles et al, J. Plasma Phys. 87, 905870308 (2021) and Désangles, Ph.D. thesis, Ecole Normale Supérieure

de Lyon, France (2018)