THEORETICAL AND EXPERIMENTAL STUDY OF LOW-FREQUENCY INSTABILITES IN PLASMAS WITH CROSSED ELECTIC AND MAGNETIC FIELDS
ETUDE THEORIQUE ET EXPERIMENTALE DES INSTABILITES BASSES FREQUENCES DANS UN PLASMA EN CHAMPS MAGNETIQUE ET ELECTRIQUE CROISES
Résumé
The problem of plasma in magnetic and electric fields crossed is crucial in a number of physical situations, ranging from space weather to more terrestrial processes that are magnetic confinement fusion or Hall propulsion. It is well known that this state is leading to the establishment of flows of matter and energy qualified as abnormal since impossible to explain in terms of conventional diffusion. It has been commonly accepted for several years that this transport is intrinsically linked to the instabilities of the plasma medium and to the turbulence associated with them. In our MISTRAL hot cathode laboratory device, a cylindrical column of magnetized plasma is produced by means of an ionizing electron beam. Under the typical experimental conditions, low frequency instabilities are measured at the same time as plasma transport in the cross-field direction, in the shadow of the limiter. The triggering and characteristics of these instabilities are directly related to the establishment of a transverse electric field closely conditioned by the current balance. By means of several diagnostics (probes, intensified camera, laser-induced fluorescence) we have been able to characterize in great detail the situation where a regular mode is developing and the conditions of its transition to a turbulent state. The theoretical analysis carried out in this manuscript shows that the influence of the inertial forces on the ionic fluid experiencing E × B rotation, in particular with the strong E/B value obtained on our device, is determining as well for the equilibrium of the plasma as its stability. It appears in particular that a centripetal electric field global instability similar to that of Simon-Hoh - since linked to a differential drift charged species under the effect of inertial damping - is excited. These results provide a very probable explanation for the experimental observations obtained on our device, although a consideration of the kinetic effects appears essential to confirm it. But beyond our experiences, they hopefully provide an insight into the more general question of crossed fields plasma stability.
La problématique du plasma en champs magnétique et électrique croisés est cruciale dans un certain nombre de situations physiques, allant de la météorologie spatiale aux procédés plus terrestres que sont la fusion par confinement magnétique ou la propulsion par effet Hall. Il est bien connu en effet que cet état est propice à l’établissement de flux de matière et d’énergie qualifiés d’anormaux puisqu’impossible a expliquer en terme de diffusion classique. On admet communément depuis plusieurs années que ce transport est intrinsèquement lié aux instabilités du milieu plasma et a la turbulence qui leur est associée. Dans notre dispositif de laboratoire a cathode chaude MISTRAL une colonne cylindrique de plasma magnétisé est produite au moyen d’un faisceau d’électrons ionisants. Dans les conditions habituelles d’expérience des instabilités à basse fréquences sont mesurées en même temps qu’un transport du plasma dans la direction transverse au champ magnétique, à l’ombre du limiteur. Le déclenchement et les caractéristiques de ces instabilités sont directement liés à la mise en place d’un champ électrique transverse étroitement conditionné par le bilan de courant. Au moyen des diagnostics (sondes, caméra intensifiée, fluorescence induite par laser) mis en œuvre nous avons pu caractériser avec beaucoup de détails la situation où un mode régulier se développe et les conditions de sa transition vers un état turbulent. L’analyse théorique menée dans ce manuscrit montre que l’influence des forces inertielles sur le fluide ionique en rotation E × B, en particulier aux forts rapports E/B obtenus sur notre dispositif, est déterminante aussi bien pour l’équilibre du plasma que sa stabilité. Il apparaît en particulier qu’à champ électrique centripète une instabilité globale analogue à celle de Simon-Hoh - puisque liée a une dérive différentielle des espèces chargées sous l’effet du freinage inertiel - est excitée. Ces résultats fournissent une explication très probable aux observations expérimentales obtenues sur notre dispositif, bien qu’une prise en compte des effets cinétiques apparaisse indispensable pour le confirmer. Mais au-delà de nos expériences, ils constituent nous l’espérons un éclairage original sur la question plus générale de la stabilité du plasma en champs croisés.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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