Soutenance de thèse de HERBELOT Julien
Titre de thèse
Étude d'un plasma magnétisé : approche expérimentale et numérique
Study of a magnetized plasma: experimental and numerical approach
Résumé de la thèse
Les plasmas magnétisés sont présents dans de nombreux phénomènes naturels et
procédés industriels. Leur auto-organisation sous l'effet des champs électriques et
magnétiques en fait des systèmes complexes, étudiés aussi bien expérimentalement
que théoriquement.
MISTRAL est une colonne de plasma magnétisée dont la géométrie simplifiée facilite
l'étude de la turbulence et des structures auto-organisées qui s'y développent. En
particulier, on peut y observer la formation d'un bras de plasma éjecté du centre de la
colonne et tournant à des fréquences de l'ordre de la fréquence cyclotron ionique. La
mesure du champ électrique associé à cette instabilité est cruciale pour comprendre
les phénomènes en jeu, mais elle demeure délicate car facilement perturbée.
Le diagnostic EFILE (Electric field Induced Lyman-α Emission) est proposé pour
mesurer le champ électrique présent dans l'instabilité de rotation du plasma de
MISTRAL. EFILE repose sur l'étude de l'émission d'un faisceau d'atomes d'hydrogène
métastables, permettant de déduire le champ électrique local du plasma. La première
partie de ce travail de thèse s'intéresse à son utilisation en présence d'un champ
magnétique. Une nouvelle théorie décrivant l'émission du faisceau a été développée
et montre un excellent accord avec les mesures expérimentales réalisées dans une
expérience où les champs électrique et magnétique sont connus et contrôlés.
EFILE a ensuite été installé sur MISTRAL dans le but de mesurer le champ électrique
du plasma. Des mesures préliminaires, effectuées en présence de gaz neutre d'argon
mais sans plasma, ont permis de mettre en évidence l'influence des collisions sur le
signal, ouvrant la voie à l'amélioration des modèles d'émission d'EFILE pour en tenir
compte. Par ailleurs, des méthodes numériques ont été mises au point pour calculer
le champ électrique ou magnétique local du plasma. La méthode dite par "test de
signal" a ainsi été appliquée avec succès à des mesures expérimentales, permettant
d'obtenir une mesure du champ magnétique de MISTRAL.
Enfin, une étude théorique de l'instabilité de rotation a été réalisée à l'aide d'une
simulation PIC. Elle a permis de décrire la dynamique individuelle des particules du
plasma et les mécanismes responsables de leur transport hors de la colonne.
Thesis resume
Magnetized plasmas are found in many natural phenomena and industrial processes.
Their self-organization under the action of electric and magnetic fields makes them
complex systems, studied both experimentally and theoretically.
MISTRAL is a magnetized plasma column whose simplified geometry facilitates the
study of turbulence and self-organized structures. In particular, one can observe
the formation of a plasma arm ejected from the center of the column, rotating at
frequencies on the order of the ion cyclotron frequency. Measuring the electric field
associated with this instability is crucial to understanding the underlying mechanisms,
but remains challenging due to its susceptibility to perturbations.
The EFILE diagnostic (Electric field Induced Lyman-α Emission) has been proposed
to measure the electric field in the rotating instability of MISTRAL. EFILE relies on the
study of the emission from a beam of metastable hydrogen atoms, from which the
local plasma electric field can be inferred. The first part of this thesis focuses on its
use in the presence of a magnetic field. A new theory describing the beam emission
was developed and showed excellent agreement with experimental measurements in
an experiment where the electric and magnetic fields are well known and controlled.
EFILE was then implemented on MISTRAL with the objective of measuring the plasma
electric field. Preliminary measurements, performed in the presence of neutral argon
gas but without plasma, revealed the influence of collisions on the signal, paving
the way for future improvements of EFILE emission models to account for them. In
parallel, numerical methods were developed to calculate the local plasma electric
or magnetic field. The so-called "signal test method" was successfully applied to
experimental data, providing a measurement of MISTRAL's magnetic field. Finally,
a theoretical study of the rotating instability was carried out using a PIC simulation.
This investigation made it possible to describe the individual dynamics of plasma
particles and the mechanisms responsible for their transport out of the column