Typologie d'emplois : Thèses

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

Projet de thèse : Expérience d’atomes ultrafroids pour la physique des plasmas

Directeur de thèse : Romain Dubessy – Groupe CIML

Mail : romain.dubessy@univ-amu.fr

Laboratoire : Physique des interactions ioniques et moléculaires UMR7345, Marseille, Campus de Saint-Jérôme1.

Mots-clés : refroidissement et piégeage par laser, plasma neutre ultrafroid, photo-ionisation

 

Nous recherchons un(e) doctorant(e) très motivé(e) pour démarrer une nouvelle expérience à la frontière de la physique quantique et de la physique des plasmas [1]. Nous créerons un échantillon d’atome de calcium neutre refroidi par laser et confiné dans un piège magnéto-optique, à des températures de l’ordre du milli-Kelvin. Cet échantillon sera ensuite photo-ionisé et la dynamique du plasma d’ions de calcium et d’électrons qui en résulte sera étudiée à l’aide de l’imagerie d’absorption. Nous visons à :

– démontrer pour la première fois le contrôle de la distribution initiale du plasma, grâce à la mise en forme optique de l’impulsion laser de photo-ionisation, suivant une proposition récente [2],

– étudier les collisions entre plasmas ultrafroids,

– appliquer le refroidissement et le piégeage laser à un plasma ultrafroid [3].

 

Le doctorant contribuera à la construction d’une plateforme originale mettant en œuvre un simulateur analogique d’un plasma fortement couplé, visant à contrôler tous les paramètres microscopiques dans une approche bottom-up. Le projet est entièrement financé pour les trois années du doctorat et nous prévoyons d’engager un post-doc en janvier 2026 pour renforcer l’équipe travaillant sur ce projet.

Le candidat retenu rejoindra une équipe d’une dizaine de personnes, dont deux doctorants et deux post-docs, travaillant sur trois plateformes expérimentales toutes dédiées à l’étude d’atomes et d’ions refroidis par laser pour la recherche fondamentale et les applications. Il/elle aura l’opportunité de participer à une école doctorale sur la physique des atomes ultrafroids à l’automne 2025 (aux Houches, près de Chamonix). Le groupe CIML fait partie du réseau européen de piégeage d’ions.

Compétences acquises : l’étudiant apprendra la technologie de pointe de contrôle des lasers, y compris la stabilisation de la fréquence sur une référence atomique et la mise en forme du faisceau grâce à un modulateur spatial de lumière, ainsi que la technologie de l’ultra-vide et le contrôle de l’expérience.

Prérequis : une bonne connaissance de la mécanique quantique est requise et une expérience pratique préalable en optique ou en laser est appréciée.

 

[1] Ultracold neutral plasmas, T.C. Killian, T. Pattard, T. Pohl, J.M. Rost, Phys. Rep. 449, 77-130 (2007).

[2] Sculpted ultracold neutral plasmas, V.S. Dharodi, M.S. Murillo, Phys. Rev. E 101, 023207 (2020).

[3] Laser cooling of ions in a neutral plasma, T.K. Langin, G.M. Gorman, T.C. Killian, Science 363, 61-64 (2019)

1 Le campus de Saint-Jérome est accessible par les transports en commun depuis le centre-ville en moins de 25 minutes et l’Université peut aider les doctorants venant de l’extérieur de Marseille à se loger.

 

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

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)

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

Nuage d’ions piégés refroidis par laser pour la détection de particules lourdes

SUPERVISEUR : CAROLINE CHAMPENOIS ET AURIKA JANULYTE

MAIL : CAROLINE.CHAMPENOIS@UNIV-AMU.FR

TEL : +33 413946413

LAB : PHYSIQUE DES INTERACTION IONIQUES ET MOLÉCULAIRES, MARSEILLE, CAMPUS DE SAINT-JÉRÔME. (UMR7345) 1  

PAGE WEB DU GROUPE CIML : HTTPS://PIIM.UNIV-AMU.FR/EN/RESEARCH/ SEVEN-TEAMS-AND-ONE-OPERATION/CIML-TEAM

mots clés : piégeage d’atomes et refroidissement laser, plasma fortement corrélé, guidage de particules chargées

Le groupe CIML possède une forte expertise dans le refroidissement par laser et le piégeage d’ions dans des pièges à radiofréquence. Il fait partie du réseau européen de piégeage d’ions et est l’un des rares groupes à piéger des ions à des fins de physique fondamentale en France. L’un des dispositifs expérimentaux du groupe vise à étudier l’échange d’énergie entre particules chargées, en envoyant un projectile sur une cible. La cible est un nuage d’ions froids et denses qui peut être considéré comme un plasma non conventionnel, un plasma à un seul composant (OCP). Le projectile est un ion moléculaire très lourd et la perturbation qu’il induit en traversant le nuage d’ions piégés peut être utilisée pour sa détection non destructive, pour démontrer un prototype de détecteur de spectromètre de masse sans limitation de masse [1].

En pratique, la cible est un nuage d’ions Ca+ refroidi par laser. Lorsqu’ils atteignent une température inférieure au kelvin, ces ions se regroupent dans le potentiel de piégeage et s’arrangent dans une structure stationnaire qui minimise l’énergie potentielle de piégeage et de répulsion de Coulomb, pour former ce que l’on appelle un cristal de Coulomb. Un exemple de ces structures, formées par plusieurs centaines d’ions, est visible sur la figure montrant l’image de la fluorescence des ions sur une caméra CCD. Le signal exploité est la fluorescence du nuage induite par le laser. L’interaction entre l’efficacité du refroidissement du laser et la dépendance non linéaire de l’échauffement RF avec la densité et la température du nuage fait de la transition de phase du nuage un amplificateur de signal pour une détection efficace [2].

Objectifs : Nous proposons comme projet de thèse de démontrer et de quantifier l’échange d’énergie entre des ions lourds chargés et des OCP Ca+ refroidis par laser. Cela implique de développer un protocole pour contrôler la taille et la température des ions piégés, la trajectoire du projectile et un diagnostic de l’énergie transférée au nuage d’ions. Le stage s’appuie sur un dispositif expérimental opérationnel, où la détection aura lieu. Il peut également s’appuyer sur un code de simulation de dynamique moléculaire qui peut être utilisé pour tester l’efficacité de la détection en fonction des caractéristiques du projectile, du piège et des paramètres de refroidissement du laser.

Les compétences acquises concernent le piégeage et le guidage des particules chargées, l’interaction atome-laser et le refroidissement laser, le contrôle serré du laser, l’acquisition et le traitement des données.

REFERENCES :

[1] A. Poindron, et al, J. Chem. Phys. 154, 184203 (2021)

[2] A. Poindron, et al, PRA, 108, 013109 (2023)

1  Le campus de Saint-Jérôme est accessible en moins de 25 minutes par les transports en commun depuis le centre-ville. Notre groupe bénéficie d’un environnement technique entièrement nouveau et de très bonnes conditions techniques.

 

Thèse (H/F) – Physique –Modélisation –YF/1

Modélisation Multi-Échelle de l’Interaction entre l’Hydrogène et les Matériaux du Nucléaire

 

Directeur de thèse :  Y. Ferro (Aix-Marseille Université) yves.ferro@univ-amu.fr

Co-directeur : E. Hodille (CEA – Cadarache) etienne.hodille@cea.fr

Co-encadrant :  J. Tranchida (CEA – IRESNE) julien.tranchida@cea.fr

 

Un financement de thèse pour une durée de trois ans sera disponible en septembre 2025 au Laboratoire Physique des Interactions Ioniques et Moléculaires (PIIM).

Nous étudions le comportement de l’hydrogène dans les matériaux de première paroi du Réacteur Expérimental Thermonucléaire International (ITER). Ce sujet s’inscrit dans un cadre Européen fortement structuré par le consortium EUROfusion Horizon Europe qui offre l’accès à un réseau collaboratif large et à des financements européens EURATOM.

Pour mener nos activités de modélisation du comportement de l’hydrogène dans les matériaux, nous mettons en oeuvre des méthodes de calcul de structures électroniques par DFT implémentée en ondes planes. Nous déterminons les propriétés électroniques et vibrationnelles, les énergies de solutions et de diffusion de l’hydrogène, de création de défauts, d’adsorption, de reconstruction de surface, etc. Sur la base de ces propriétés déterminées à température nulle, nous construisons des modèles thermodynamiques pour déterminer les propriétés macroscopiques du système en fonction des paramètres externes de température, de pression ou de potentiel chimique. Des modèles cinétiques sont également développés en collaboration avec l’Institut de Recherche sur la Fusion Magnétique (IRFM) au CEA Cadarache. Afin de compléter cette approche multi-échelle, nous intégrons de façon plus récente la dynamique moléculaire.

Dans ce projet, il s’agira de construire un potentiel interatomique ternaires par apprentissage machine pour le système W-Cu-H sur la base de calculs DFT. Ce travail qui a déjà commencé est réalisé en collaboration avec Julien Tranchida, IRESNE, CEA Cadarache. Nous construirons plusieurs modèles d’interfaces W/Cu et déterminerons les défauts induits par le raccordement des deux réseaux cristallins de géométrie et d’orientation différentes. Nous étudierons ensuite l’interaction de ces défauts avec l’hydrogène ainsi que leur impact sur les propriétés de diffusion de l’hydrogène à l’interface cuivre-tungstène.

Le/la candidat(e) bénéficiera d’un encadrement structuré, aura accès à de larges compétences scientifiques, chacun des encadrants couvrant un domaine d’expertise propre (DFT et Thermodynamique, Cinétique, Dynamique Moléculaire et potentiels ML), et contribuera à un sujet développé dans un cadre International, bénéficiant de financements et de moyens de calculs Européens.

Le / La candidat(e) intéressé(e) possèdera idéalement de bonnes connaissances parmi les méthodes suivantes : calcul de structures électroniques (si possible DFT en onde plane), thermodynamique statistique, dynamique moléculaire. Des compétences en langage Python, script bash, Fortran 90, et en machine-learning seraient appréciées.

Thèse (H/F) – Physique –Modélisation – JR/1

Directeur de thèse : Joël Rosato

Coordonnées : joel.rosato@univ-amu.fr

Tél. +33-413945714

 

Sujet : Etude spectroscopique de l’atmosphère des naines blanches

Description du sujet :

Les naines blanches sont des corps extrêmement denses, issus de l’évolution des étoiles de masse modérée. Avec les étoiles à neutrons et les trous noirs, elles constituent l’un des états ultimes de la vie d’une étoile. D’après les observations et les modèles actuels, on admet que la plupart des étoiles (de l’ordre de 90%), incluant le Soleil, deviendront une naine blanche [1,2]. Les naines blanches ne produisent plus d’énergie par fusion nucléaire ; au lieu de cela, elle se refroidissent lentement en évacuant leur énergie par rayonnement. La structure interne des naines blanches est déterminée par l’équilibre qu’il y a entre les forces de gravitation et de pression. Les naines blanches sont qualifiées d’objets compacts car la densité est très élevée (jusqu’à 106 g/cm3), si bien que le champ de pesanteur est intense. Le temps caractéristique de refroidissement d’une naine blanche dépend de la structure de son atmosphère, et notamment de son opacité au rayonnement qui vient du coeur. Des études ont montré que la plupart des naines blanches ont une atmosphère constituée majoritairement d’hydrogène, les éléments plus lourds étant situés à des niveaux plus profonds en raison du fort champ de pesanteur [3,4]. Cette atmosphère peut être assimilée à un plasma d’hydrogène ayant des propriétés similaires à certains plasmas créés en laboratoire. Les naines blanches à forte teneur en hydrogène présentent sur leur spectre des raies d’absorption très marquées, notamment dans la série de Balmer. On les classifie comme étant de type DA. La densité électronique dans une atmosphère de naine blanche est élevée (elle peut dépasser 1017 cm-3), si bien que les raies sont élargies par effet Stark et, en conséquence, peuvent servir à déterminer la densité électronique Ne.

L’objectif de cette thèse est d’améliorer la précision des modèles de profils de raies utilisés pour le diagnostic des naines blanches. Des problèmes spécifiques devront être abordés, comme par exemple la prise en compte des effets de dynamique des ions sur l’élargissement Stark [5]. Des raies présentant une structure de triplet Zeeman ont été observées sur certaines étoiles, indiquant la présence d’un fort champ magnétique [6,7]. Des études devront être réalisées. En raison de la proximité du sujet avec les problématiques actuelles sur les machines de fusion magnétique, des modèles et des codes de calcul développés pour les tokamaks et disponibles au laboratoire pourront être adaptés. Une partie du travail sera dédiée à des calculs de spectres synthétiques et nécessitera une modélisation de la structure de l’atmosphère stellaire.

 

Références bibliographiques :

[1] S. L. Shapiro and S. A. Teukolsky, Black Holes, White Dwarfs, and Neutron Stars – The Physics of Compact Objects (Wiley, 2004).

[2] D. Koester and G. Chanmugam, Rep. Prog. Phys. 53, 837 (1990).

[3] G. Fontaine and G. Michaud, Astrophys. J. 231, 826 (1979).

[4] R. D. Rohrmann, Mon. Not. R. Astron. Soc. 323, 699 (2001).

[5] R. Stamm and D. Voslamber, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 22, 599 (1979).

[6] B. Külebi et al., Astron. Astrophys. 506, 1341 (2009).

[7] S. O. Kepler et al., Mon. Not. R. Astron. Soc. 429, 2934 (2013).

 

Thèse (H/F) – Physique –Modélisation – MK/1

Directeur de thèse : Mohammed KOUBITI

Laboratoire : PIIM, UMR7345 (http://piim.univ-amu.fr/)

Email & adresse : mohammed.koubiti@univ-amu.fr, Campus de St-Jérôme, Marseille, France.

Téléphone : +33 (0)4 13 94 47 47 

Financement : Processus de sélection par l’école doctorale ED 352, AMU

Exploration des réseaux neuronaux profonds pour la spectroscopie des plasmas de fusion

Description du sujet : Les outils d’intelligence artificielle prennent une place importante dans la science des plasmas [1] et en particulier dans la physique des plasmas [2-4]. Cependant, l’intégration de l’apprentissage automatique dans le domaine de la spectroscopie des plasmas est peu développée malgré quelques publications comme celles concernant la spectroscopie d’émission de faisceaux 2D dans le tokamak DIII-D pour l’inférence en temps réel de la dynamique des plasmas [5], ou l’émission d’hélium neutre dans les dispositifs à plasma linéaire pour prédire les paramètres du plasma à l’aide d’un algorithme de régression à vecteur de support (SVM) au lieu de la technique standard du rapport des raies reposant sur la modélisation collisionnelle-radiative [6-7], ou un travail plus récent sur la raie Balmer-b (Hb /Db) dans le tokamak WEST [8].

En tant que méthode non invasive, la spectroscopie d’émission est largement utilisée pour le diagnostic des plasmas de fusion magnétique. Plusieurs paramètres sont diagnostiqués, par exemple les densités et les températures des électrons et des principaux ions du plasma, les densités des impuretés, ainsi que les températures et les concentrations des isotopes neutres de l’hydrogène. En ce qui concerne les isotopes de l’hydrogène, la connaissance du rapport isotopique D/(D+T) est d’une grande importance puisque l’inventaire du tritium est obligatoire dans les dispositifs de fusion magnétique fonctionnant avec des mélanges DT pour des raisons évidentes de sécurité. Pour déduire le rapport isotopique de l’hydrogène, nous avons construit un modèle prédictif basé sur l’application d’algorithmes de réseaux neuronaux denses (DNN) aux spectres théoriques de la raie Balmer Ha/Da générés pour des températures neutres et des intensités de champ magnétique typiques des plasmas de bord de tokamak [9-10].

Plus récemment, le modèle a été amélioré par l’utilisation de réseaux neuronaux convolutionnels 1D (1D-CNN) [11] pour les mélanges HD. Dans cette thèse, il est proposé de développer des modèles prédictifs basés sur différents réseaux neuronaux pour des conditions plus réalistes en considérant les plasmas DT et HDT, mais aussi d’appliquer les modèles aux spectres expérimentaux de différents tokamaks. Nous envisageons d’explorer les données expérimentales mesurées dans WEST (HD), JET (DT) et également JT-60SA grâce à l’implication d’EUROfusion WPTE. Au-delà de leur utilité pour les futurs dispositifs de fusion comme ITER, le développement de modèles prédictifs ne sera pas limité aux spectres Ha/Da/Ta mais étendu aux isotopes H et aux spectres d’impuretés.

Le candidat sélectionné aura pour tâche de développer, tester et valider des programmes informatiques couplant les algorithmes NN aux spectres. Ces programmes devraient être plus généraux afin d’être étendus à divers diagnostics.

Des compétences en Python et en apprentissage automatique ainsi que des connaissances sur les plasmas de fusion seront très appréciées.

Références

[1] E. Anirudh et al, IEEE Transactions on Plasma Science, 51, 1750 (2023)

[2] C. M. Samuell et al, Rev. Sci. Instrum., 92, 043520 (2021)

[3] B. Dorland, Machine-Learning for Plasma Physics and fusion energy, Journal of Plasma Physics (2022)

[4] Machine-Learning methods in plasma physics, Contrib. Plasma Phys., 63, Issues 5-6 (2023)

[5] L. Malhorta et al, 4th IAEA Technical Meeting on fusion data processing, validation and analysis (2021)

[6] S. Kajita et al, AIP Advances, 10, 025225 (2020)

[7] D. Nishijima et al, Rev. Sci. Instrum., 92, 023505 (2021)

[8] G. Ronchi et al, JQSRT 318, 108925 (2024)

[9] M. Koubiti and M. Kerebel, Appl Sci, 12, 9891 (2022).

[10] M. Koubiti EPJD, 77, 137 (2023).

[11] N. Saura, M. Koubiti and S. Benkadda, submitted to JNME (2024).

 

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)

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).