Caractérisation expérimentale des instabilités et du transport non diffusif dans une colonne de plasma magnétisé. Développement, analyse critique et validation des diagnostics par sondes et imagerie rapide

par Guillaume Bousselin

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Gérard Bonhomme et de Nicolas Lemoine.

Le président du jury était Michel Vergnat.

Le jury était composé de James-Paul Gunn, Guido Van Oost.

Les rapporteurs étaient Ivo Furno, Dominique Gresillon.


  • Résumé

    Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre général de l'étude des régimes instables et turbulents dans le plasma magnétisé de la machine de laboratoire Mirabelle. L'existence de gradients de pression et de potentiel transverses au champ magnétique entraîne l'apparition d'instabilités d'ondes de dérives et de types modes flûtes à l'origine d'un transport de particule non-diffusif à travers les lignes de champ magnétique. L'étude expérimentale de ces mécanismes de turbulence repose sur la maîtrise de méthodes de diagnostics adaptées dont la physique s'avère également complexe. Une première partie du travail est consacrée à la mesure des profils d'équilibre par sondes électrostatiques. En complément des sondes de Langmuir classiques, nous avons validé l'utilisation des sondes émissives pour la mesure directe du potentiel plasma dans Mirabelle. Nous nous sommes aussi intéressés au développement de la sonde ball-pen comme une méthode de diagnostic alternative aux deux sondes précédentes permettant également de mesurer directement le potentiel plasma. Une étude paramétrique complète de son fonctionnement nous a permis d'isoler plusieurs critères sur la géométrie de la sonde et son électronique qu'il est indispensable de satisfaire pour obtenir une mesure fiable dans un plasma basse température faiblement magnétisé. La seconde partie du travail est dédiée à la mesure des fluctuations du plasma et du transport turbulent qu'elles induisent. L'utilisation de l'imagerie rapide en tant que diagnostic permettant d'obtenir une mesure bi-dimensionelle non perturbative des fluctuations de densité du plasma a été validée dans le plasma d'hélium de la machine Mirabelle. La combinaison de mesures spectroscopiques et de mesures avec filtres interférentiels, ainsi que l'étude détaillée des différentes transitions radiatives mises en jeu, nous ont permis d'établir le lien explicite entre la densité électronique et la lumière émise naturellement par le plasma. La question délicate de la mesure du transport turbulent par triple sondes électrostatiques est discutée en détails. Différents types de sondes, émissives et sondes de Langmuir conventionnelles, ont été utilisées pour mesurer le transport turbulent dans un régime instable d'ondes de dérive. La contradiction entre les résultats obtenus à partir des différentes méthodes de diagnostics nous a amené à reconsidérer la fiabilité des mesures de transport par triple sonde

  • Titre traduit

    Experimental characterization of instabilities and non diffusif transport in a magnetized plasma column. Development, critical analysis and validation of probe and fast imaging diagnostics


  • Résumé

    The general framework of this thesis is the study of unstable and turbulent regimes in the magnetized plasma device Mirabelle. The existence of pressure and potentiel gradients accross the magnetic field leads to drift-wave and flute mode instabilities which are responsible for non-diffusive cross-field particle transport. The experimental investigation of these turbulence mechanisms needs specific diagnostic methods that turn out to be complex. The first part of the work is devoted to equilibrium profile measurements by electrostatic probes. In addition to conventional Langmuir probes, we have validated the use of emissive probes for direct measurements of the plasma potential in the Mirabelle device. We have also developed the ball-pen probe as an alternative diagnostic method to directly measure the plasma potential. A full parametric study allowed us to find several criteria on the probe geometry and electronics wich are essential to be fulfilled to obtain reliable measurements in a low-temperature and low-magnetized plasma. The second part of the work is dedicated to plasma fluctuations and fluctuations induced transport measurements. The use of fast imaging as a diagnostic tool to obtain a nonperturbative and bi-dimensional plasma density fluctuation measurement has been validated in the helium plasma of the Mirabelle device. The combination of spectroscopic and interference filters measurements, as well as the detailed study of various radiative transitions, allowed to establish an explicit link between the electron density and light naturally emitted by the plasma. The delicate question of the extent of turbulent transport by triple electrostatic probes is discussed in detail. Different types of probes, emissive probes and conventional Langmuir probes, were used to measure the turbulent transport in an unstable drift-wave regime. The contradiction between the results obtained from the different diagnostic methods has led us to reconsider the reliability of transport measurements by triple probe


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