Equipe : TP

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)

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).

 

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)