Equipe : TP

Aspects expérimentaux de la gaine de plasma associée à l’émission d’électrons secondaires

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 résulte la quasi-neutralité sur des échelles spatiales supérieures à la longueur de Debye. Cette propriété s’effondre lorsque le plasma rencontre une frontière solide où une gaine non neutre se forme à des échelles de quelques longueurs 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 différentes échelles temporelles en présence de gaines, qui peuvent être les limites du dispositif dans les expériences de laboratoire ou des corps solides dans les contextes astrophysiques. Des phénomènes physiques multi-échelles émergent en particulier là où la gaine est formée. La physique des gaines de plasma présente un intérêt majeur dans les domaines de l’astrophysique de laboratoire et de la fusion par confinement magnétique (tokamaks,…). De nombreuses études ont été consacrées à la compréhension des gaines de plasma dans différentes configurations [1]. La situation se complique encore en présence de champs magnétiques ou d’émission d’électrons par la surface. En présence de surfaces qui émettent des électrons, soit par émission secondaire, soit par émission thermionique, la physique de la gaine est profondément modifiée. La modélisation et les simulations numériques prédisent une « gaine inverse » dont l’observation expérimentale reste difficile [2-4]. Dans ce contexte, l’objectif à long terme de la thèse est d’améliorer la comparaison entre les modèles et les expériences concernant la gaine magnétique d’une surface émettant des électrons. Les modèles et les expériences seront réalisés et comparés au laboratoire PIIM et chez ses partenaires par deux doctorants.

Les échelles spatiales impliquées dans les gaines de plasma et la rupture de la quasi-neutralité font qu’il est approprié d’utiliser des diagnostics de fluorescence induite par laser pour mesurer la fonction de distribution de la vitesse des ions le long de la pré-gaine et de la gaine. Ce diagnostic non intrusif déjà mis en œuvre et maîtrisé au PIIM [5] sera utilisé à proximité d’une surface métallique à un potentiel flottant pour confirmer les résultats des simulations numériques menées par nos partenaires. Malgré quelques artefacts [6], sa définition spatiale est de l’ordre de 0,1 mm, ce qui permet de résoudre spatialement la structure de la gaine (qui s’étend sur environ 1 mm dans notre expérience). La source de plasma, un dispositif multipolaire, crée un plasma d’argon quiescent avec deux populations d’électrons : une population énergétique ionisante émise par les filaments et une population à température électronique plus froide, qui est la population du plasma électronique central.

Diverses expériences seront réalisées et comparées aux théories développées dans le cadre d’un projet de doctorat distinct, par un autre doctorant financé par la même bourse de recherche :

– Explorer la collisionnalité de la physique de la gaine, qui est omniprésente dans la nature et dans les expériences, en modifiant la pression neutre.

– Mesures de la structure de la gaine d’une surface thermionique émettant des électrons (céramique chauffée LaB6)

– Mesures de la structure de la gaine dans le cas de surfaces ayant des taux d’émission d’électrons secondaires élevés, en mettant l’accent sur l’observation d’une structure de gaine « inverse ».

– Explorer l’effet des champs magnétiques sur la structure de la gaine, dans des régimes où seuls les électrons sont magnétisés. L’influence de l’angle entre la surface et le champ magnétique est connue pour être un facteur clé [7].

– Réaliser des expériences dans une colonne de plasma magnétique linéaire [8]

Les données expérimentales sur les plasmas à gaine émissive seront comparées aux résultats théoriques et numériques du laboratoire du PIIM.

Le travail de thèse sera pertinent à la fois pour les propulseurs spatiaux [9] et les plasmas de laboratoire tels que dans un plasma non magnétique à basse température [5] et dans une colonne de plasma magnétique linéaire [10] du PIIM.

Ce travail expérimental pourrait servir de base à la compréhension de la gaine magnétique où les ions sont magnétisés, comme c’est le cas dans les dispositifs de fusion.

L’étudiant doit avoir des connaissances de niveau master en physique des plasmas et en physique expérimentale pour réaliser des expériences avec le laser et comparer les résultats avec les calculs théoriques.

La thèse sera réalisée dans le cadre d’un financement A*MIDEX et d’une collaboration entre le PIIM, le Laboratoire de Physique de l’Ecole Normale Supérieure de Lyon (LPENSL) et les laboratoires Laplace pour la partie théorique. La thèse se déroulera principalement au PIIM à Marseille mais le futur étudiant devra se rendre régulièrement à Lyon au LPENSL.

La thèse sera dirigée par N. Claire (PIIM) et N. Plihon (LPENSL) et sera encadrée par M.Muraglia (PIIM), G. Fubiani (Laplace) et O. Agullo (PIIM) pour les comparaisons théoriques.

@ : nicolas.claire@univ-amu.fr et nicolas.plihon@ens-lyon.fr

Références

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

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

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

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

[5] N. Claire et al, Phys. Plasmas 13, 062103 (2006)

[6] V. Pigeon et al, Phys. Plasmas 26, 023508 (2019)

[7] P. C. Stangeby, Phys. Plasmas 2, 702 (1995)

[8] N. Claire et al, Phys. Plasmas 25, 061203 (2018)

[9] NA.L. Ortega et al, Plasma 3, 550 (2023)

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).