Une étude du bruit quasi-thermique et du bruit d'impact dans les plasma spatiaux

A study of quasi-thermal noise and shot noise in space plasmas

• Auteur / Autrice : Mihailo Martinović
• Direction : Milan Maksimovic, Stevo S̆egan, Arnaud Zaslavsky
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 20/10/2016
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE) en cotutelle avec Univerzitet u Beogradu
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en astrophysique (Meudon, Hauts-de-Seine ; 2002-....) - Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en astrophysique
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Observatoire de Paris (1667-....)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Sauty
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Milan Maksimovic, Stevo S̆egan, Arnaud Zaslavsky, Hervé Lamy, Adolfo Figueroa Vinas, Jagoš Puric, Dus̆an Jovanonić
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hervé Lamy, Adolfo Figueroa Vinas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Milieu interplanétaire

Ondes de plasma

Vents solaires

Plasmas cosmiques

Mots clés libres

Plasmas spatiaux

Vent solaire

Bruit quasi-Thermique

Ondes radio et plasma

Milieu interplanétaire

Mesures spatiales

Space plasmas

Solar wind

Quasi-Thermal noise

Radio and plasma waves

Interplanetary medium

Spacecraft measurements

Résumé

La spectroscopie de bruit quasi-thermique est une méthode précise de déterminat-ion de la densité et de la température dans les plasmas spatiaux. Lorsqu'une antenne électrique est immergé dans un plasma, elle est capable de mesurer les fluctuations électrostatiques provoquées par le mouvement thermique des particules de plasma. Ces fluctuations sont détectées par la densité de puissance spectrale aux bornes de l'antenne, en observant un spectre à des fréquences comparables à la fréquence plasma électronique aussi bien pour les électrons que pour les protons, car le signal du proton est fortement décalé Doppler vers des fréquences plus élevées en raison de la vitesse de dérive du vent solaire. En plus d'induire le champ électrique fluctuant, une partie des électrons impactent sur la surface de l'antenne, ce qui provoque des perturbations de son potentiel électrique. Le signal provoqué par cette population est directement proportionnelle au flux d'électrons du plasma impactant l'antenne et est dominante si l'antenne a une grande surface. Dans ce travail, nous utilisons la théorie de l'orbite limite pour calculer le flux de particules impactantes pour un plasma non thermique décrit par fonction de distribution de vitesses κ ou Lorentzienne, communément mesurée dans le vent solaire. L'augmentation de la collecte de particules par des objets cylindriques et sphériques est quantifié et présenté en tant que fonction du potentiel électrostatique de surface et de la fraction des particules supra-thermique. La prise en compte de ces résultats théoriques est absolument nécessaire pour des mesures précises des paramètres du plasma à chaque fois que le bruit d'impact est l'élément dominant dans le spectre de puissance. Ceci est le cas pour STEREO, car les bruit d'impact est dominant pour cette sonde, en raison de la présence d'antennes courtes et épaisses. L'étude approfondie des données sur cette mission est motivée par le fait que ses analyseurs d'électrons sont défectueux depuis le lancement et aucune information sur les électrons thermiques n'est disponible. Les résultats obtenus sont vérifiés en comparant avec les résultats de Wind, montrant une bonne concordance entre les valeurs mesurées par les deux satellites. Les incertitudes des mesures sont déterminées par les incertitudes des instruments utilisés et sont estimés à environ 40%. Le résultat final de ce travail sera l'établissement d'une base de données des moments d'électrons pour les deux sondes STEREO A et B qui couvriront toute la durée de la mission. Dans une seconde partie de la thèse, nous utilisons l'approche cinétique pour étendre la théorie du bruit quasi-thermique à des plasmas où les collisions des électrons avec les neutres jouent un rôle dominant. Cette technique permet de mesurer la densité et la température des électrons, et aussi la fréquence des collisions en tant que paramètres indépendants. Ceci est obtenu sur une large gamme de fréquences aussi bien en dessous qu'au dessus de la fréquence plasma, pour peu que le rapport entre la fréquence de collision et fréquence de plasma ne soit pas inférieur à 0.1. Les résultats présentés ici peuvent potentiellement être appliqués avec succès dans les plasmas de laboratoire et ionosphères non magnétisés, tandis que pour l'ionosphère de la Terre leur utilisation est limitée aux fréquences basses à cause de la présence d'un champ magnétique fort.

The quasi-thermal noise spectroscopy is an accurate method of determination of density and temperature in space plasmas. When an electric antenna is immersed into a plasma, it is able to measure electrostatic fluctuations caused by the thermal motion of plasma particles. These fluctuations are detected as the power spectral density at the antenna terminals, observing a spectrum at frequencies comparable to the electron plasma frequency for both electrons and protons, since the proton signal is strongly Doppler-shifted towards higher frequencies due to the solar wind drift velocity. Beside inducing the fluctuating electric field, some of the electrons are impacting the antenna surface, causing disturbances of the antenna electric potential. The signal caused by this population is directly proportional to the flux of plasma electrons impacting the antenna and is dominant if the antenna has a large surface area. In this work, we use the orbit limited theory to calculate the incoming particle flux for a non-thermal plasma described by κ velocity distribution function, commonly measured in the solar wind. The increase in the particle collection by cylindrical and spherical objects is quantified and presented as a function of the surface electrostatic potential and the fraction of supra-thermal particles. Including these results into the theory has turned out to be absolutely necessary for accurate measurements of the plasma parameters whenever the shot noise is the dominant component in the power spectrum. This is the case for STEREO because the impact noise is overwhelming on this probe, due to the presence of short and thick antennas. The comprehensive study of data on this mission is motivated by the fact that the electron analyzers are malfunctioning since launch and no information on thermal electrons is available. Results obtained are verified by comparing with the results from Wind, showing a good match between the values measured by the two spacecraft. Uncertainties of the measurements are determined by the uncertainties of the instruments used and are estimated to be around 40%. The final outcome of this work will be establishing a database of the electron moments in both STEREO A and B that will be covering the entire duration of the mission. In the second part of the thesis, we use the kinetic approach to expand the theory of the quasi-thermal noise to plasmas where electron-neutral collisions play a dominant role. This technique is able to measure the electron density, temperature and the collision frequency as independent parameters using the wide frequency range both below and above the plasma frequency, if the ratio of the collisional to plasma frequency is not smaller than 0.1. The results presented here have can be potentially applied in laboratory plasmas and unmagnetized ionospheres, while at the ionosphere of Earth their use is limited to low frequencies due to the presence of the magnetic field.