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Un diagnostic virtuel de diffusion Thomson collective pour étudier les instabilités de dérive d’électrons dans les propulseurs à effet Hall
Bien qu’il s’agisse d’une technologie maitrisée dans l’industrie aérospatiale, les propulseurs à effet Hall ne sont pas entièrement compris en raison de nombreuses questions ouvertes. Parmi ces questions, la mobilité élevée des électrons dans le propulseur reste la plus difficile à élucider. Aujourd’hui, l’instabilité de dérive des électrons (EDI), caractérisée par une longueur d’onde d’environ 1 mm et une fréquence de l’ordre de 5 MHz, est considérée comme le contributeur principal à cette mobilité accrue et cela a été observé dans des simulations « Particle-In-Cell » (PIC) 2D et 3D des propulseurs à effet Hall et dans des expériences de diffusion Thomson collective (CTS).
La diffusion Thomson collective est un diagnostic couramment utilisé dans la communauté des plasmas de fusion pour étudier la turbulence dans les plasmas de Tokamak. Aujourd’hui, ce diagnostic s’est aussi imposé dans la communauté des plasmas froids pour l’étude des instabilités plasmas à des échelles millimétriques, tel l’EDI. Dans un article récemment publié dans le journal “Physics of Plasmas”, Tarek Ben Slimane, Thomas Charoy, Anne Bourdon, et Pascal Chabert de l’équipe des plasmas froids du LPP ont collaboré avec Cyrille Honoré de l’équipe des plasmas de fusion du LPP sur un diagnostic virtuel de diffusion Thomson collective appliqué aux données de simulations PIC. Le but de ce travail était à la fois de développer une nouvelle méthode d’analyse des résultats de simulation et aussi de réaliser des études paramétriques sur le diagnostic qui sont inaccessibles expérimentalement : comme par exemple tester l’influence de la taille du faisceau sur la mesure ou faire de la diffusion Thomson à l’intérieur du canal du propulseur.
- Figure 1
- (en haut) Densité d’électrons à l’état stationnaire dans les simulations PIC 2D. La ligne rouge pointillée indique la position du maximum du champ magnétique radial et le plan de sortie du propulseur, (en bas) Schéma de la configuration 2D pour le calcul CTS virtuel. Deux faisceaux laser se croisent à une position fixe (x0,y0) définissant le volume de diffusion avec une taille w = 3 mm.
Partant d’un cas de simulation PIC 2D axial-azimutal (Figure 1), le diagnostic CTS virtuel a permis une meilleure caractérisation des modes présents à l’état stationnaire de la simulation, tant dans la plume que dans le canal du propulseur. Le diagnostic virtuel a permis de résoudre deux modes millimétriques à 3 et 8 rad/mm, se propageant tout le long de l’axe du propulseur (Figure 2). Leur direction est légèrement oblique près de l’anode à x=3mm et devient presque azimutale après le plan de sortie du propulseur (x=20mm), à mesure que les ions sont de plus en plus accélérés par le champ électrique.
- Figure 2
- Cartes polaires 2D de l’intensité du signal de diffusion à x=3 mm et x=20 mm.
En outre, une étude paramétrique sur la taille du faisceau laser a été réalisée afin de déterminer la cause des écarts sur la valeur du taux de fluctuation de la densité électronique entre les simulations PIC et les expériences CTS. Cette étude a montré que l’extension spatiale du volume du diagnostic peut résulter en des estimations plus élevées du taux de fluctuation en particulier en présence d’un fort gradient axial de la densité électronique. S’appuyant sur les résultats de cette comparaison, ce travail souligne l’intérêt de développer des diagnostics plasmas virtuels et de les appliquer à des simulations PIC ou fluides pour améliorer les comparaisons quantitatives expériences/simulations dans les plasmas froids magnétisés des propulseurs à effet Hall.
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