Tomography in a linear magnetised plasma

par Pierre David

Thèse de doctorat en Energie, Rayonnement, Plasma

Sous la direction de Alexandre Escarguel et de Yann Camenen.

Le président du jury était Stéphane Mazouffre.

Le jury était composé de Gilles Cartry.

Les rapporteurs étaient Ivo Furno, Jean-Pierre Boeuf.

  • Titre traduit

    Tomographie d'une colonne de plasma magnétisé


  • Résumé

    Quel est le point commun entre des propulseurs à effet hall, des sources d'ions et les grandes machines de recherche sur la fusion magnétique ? Ils sont tous composés de plasmas interagissant avec des champs électrique et magnétique orthogonaux, et leurs tailles, sophistications et inaccessibilités rendent leur étude directe compliquée. Cette étude directe peut être menée à bien sur des machines plus simples, comme la colonne de plasma magnétisée Mistral utilisée dans ce travail, qui sont conçues pour l’étude de mécanismes fondamentaux. La tomographie, quant à elle, est couramment utilisée dans les tokamaks et stellarators, mais plus rarement sur des machines de laboratoire. Son intérêt majeur est de pouvoir reconstituer l’évolution temporelle de section 2D de plasma, et ce sans mesure intrusive. Dans le cadre de cette thèse un diagnostic de tomographie a été entièrement conçu, installé, calibré et testé. Les modèles existant de tomographie ont d'abord été adaptés à ce nouveau contexte, pour ensuite développer et valider le code complet d’inversion tomographique associé. Puis, une étude de faisabilité a été réalisée en mettant au point un diagnostic de tomographie utilisant un seul capteur avec un échantillonnage conditionnel sur des modes réguliers. L’attention est alors portée au développement, à la configuration et à l’application du diagnostic complet à 128 voies. Enfin, une étude paramétrique des modes réguliers a fait ressortir l'importance des paramètres de contrôle sur les modes (présence, fréquence et parité), et l'attention qui doit être portée à l'ensemble des paramètres expérimentaux, ainsi que l’évolution de leur forme et le comportement du plasma central.


  • Résumé

    What do satellites thrusters, ions sources, and fusion devices have in common? They all have plasmas with orthogonal electric and magnetic fields and their size, complexity and accessibility often make them hard to be directly studied. Simpler devices, like the linear magnetised plasma device Mistral used during this work, are conceived in order to understand, predict, and eventually control, some of their fundamental mechanisms. To this purpose, a tomography diagnostic is developed. Tomography is a well known diagnostic in tokamaks and stellarators, but remains seldom used in low temperature plasma studies. Its main advantages are to give access to the temporal evolution of a two-dimensional section of the plasma emissivity, and to be non-intrusive. In the frame of this thesis, a tomography diagnostic has been designed from scratch, implemented, calibrated and tested. The first step consists in the adaptation of existing tomography models in this context, and the full development and validation of the associated numerical code. Then, a proof of concept is conducted with a mono-sensor diagnostic using conditional sampling on coherent rotating modes. Following, the development, configuration, and application of the full 128 channels emission tomography diagnostics on Mistral are reported. New insights to characterise coherent rotating modes, such as the evolution of their shape and the behaviour of the core plasma, are given. Additionally, a parametric study of the rotating modes revealed the complex and intricated effect of control parameters on the modes (existence, frequency, and mode number), and the care that has to be put in monitoring many experimental parameters.

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