Soutenance de thèse de Surabhi AGGARWAL

Comprendre la formation de structures à grande échelle dans les plasmas faiblement magnétisés représente une étape cruciale vers le développement de capacités de conception prédictive pour les dispositifs E×B dédiés à l'étude des phénomènes fondamentaux de la physique des plasmas. MISTRAL est un tel dispositif basé au laboratoire PIIM pour étudier les plasmas en configuration de champ croisé (E⊥B). La formation de structures cohérentes en rotation dans MISTRAL est supposée être due à une interaction entre diverses instabilités et l’écoulement E×B. Cependant, il reste à comprendre quelles instabilités sont responsables de leur émergence et quels sont les déclencheurs spécifiques impliqués. Une étude expérimentale des plasmas MISTRAL a été réalisée pour établier les bases de la modélisation théorique. Un modèle à deux fluides a été développé pour étudier la stabilité linéaire des colonnes de plasma en rotation. Des travaux antérieurs ont démontré que les colonnes de plasma en rotation sont sensibles à l’instabilité centrifuge. Cependant, la plupart des modèles existants reposent sur l'approximation basse fréquence (LFA), qui est valable lorsque la fréquence d'instabilité et la fréquence d'écoulement d'équilibre sont considérablement plus petites que la fréquence cyclotronique ionique. Cette hypothèse est remise en question dans de nombreux dispositifs à plasma de laboratoire, y compris les colonnes à plasma faiblement magnétisées comme MISTRAL. Pour remédier à cette limitation, une relation de dispersion globale radiale décrivant l'instabilité centrifuge sans la LFA a été dérivée et une analyse de stabilité linéaire a été effectuée. Une comparaison a été faite entre les résultats obtenus en utilisant la relation de dispersion avec l’approximation radiale locale et ceux obtenus en utilisant la relation de dispersion radiale globale. Cette comparaison a révélé la non-applicabilité de la solution locale aux systèmes de plasma de type MISTRAL. En raison de la fraction élevée de neutres dans le système de plasma actuel, le modèle est étendu pour inclure les effets dus aux collisions ion-neutre. Dans cette première étape, on suppose que la fréquence des collisions ion-neutre est faible par rapport à la fréquence des cyclotrons ioniques. La relation de dispersion est ensuite résolue dans la limite locale et l'analyse de stabilité linéaire est effectuée.

Understanding the formation of large-scale structures in weakly magnetized plasmas represents a crucial step towards developing predictive design capabilities for E×B devices dedicated to investigating fundamental plasma physics phenomena. MISTRAL is such a device based at PIIM laboratory to study plasmas in cross-field configuration (E⊥B). The formation of coherent rotating structures formed in MISTRAL is supposed to be due to an interplay between various instabilities and the E×B flow. However, a definitive understanding of which instabilities are accountable for their emergence and the specific triggers involved remains elusive. An experimental investigation of MISTRAL plasmas has been performed to lay the basis for the theoretical modeling. A two-fluid model has been developed to discuss the linear stability of rotating plasma columns. Prior works have demonstrated that rotating plasma columns are susceptible to centrifugal flute modes. However, most of the existing models rely on the low-frequency approximation (LFA), which holds true when the instability frequency and equilibrium flow frequency are considerably smaller than the ion-cyclotron frequency. This assumption is challenged in numerous laboratory plasma devices, including weakly magnetized plasma columns like MISTRAL. To address this limitation, a radially global dispersion relation describing the centrifugal instability without the LFA has been derived and linear stability analysis is performed. A comparison has been made between the results obtained using the dispersion relation with the radially local approximation and those obtained using the radially global dispersion relation. This comparison revealed the non-applicability of the local solution to MISTRAL-like plasma systems. Due to the high fraction of neutrals in the present plasma system, the model is further extended to include the effects due to ion-neutral collisions. In this first step, the ion-neutral collision frequency is assumed to be small as compared to the ion- cyclotron frequency. The dispersion relation is then solved in the local limit and the linear stability analysis is conducted.