Rotating spoke instability

Instabilité de Spoke dans le propulseur PPI.

Mon séjour à Princeton touche à sa fin ; je rentre en France mardi prochain.

Ces trois semaines passées au PPPL dans l’équipe de Yevgeny Raitses auront été enrichissantes et très fructueuses. J’ai apprécié travailler dans l’environnement du laboratoire et découvrir d’autres approches et d’autres méthodes de travail. Nul doute que j’en tirerai parti et que mon équipe bénéficiera de cette expérience, qui sera renouvelée l’année prochaine je l’espère. Sur le plan scientifique, nous avons mis au point le système de spectroscopie de LIF par comptage de photons et fait des premières mesures de l’influence de l’instabilité dite de « rotating spoke » sur la vitesse des ions dans un propulseur de Hall cylindrique. Le diagnostic est désormais au point ce qui ouvre la voie à de nombreux travaux de recherche.
En parallèle, suite à des discussions approfondies et passionnées avec Ahmed Diallo sur la technique de comptage que j’importe au PPPL, nous avons imaginé et testé avec succès une approche différente mais qui doit conduire aux mêmes résultats. Il s’agit d’une méthode de spectroscopie de LIF hétérodyne où l’on mélange le phénomène à observer (ici l’instabilité de spoke) à une modulation de l’intensité laser. Toute l’information se retrouve alors non plus sous forme d’une série temporelle mais sous forme d’un spectre dans l’espace de Fourier. Nous n’en sommes qu’au début du développement de la technique mais nous avons déjà pu reconstruire  le profil moyen de la vitesse des ions et vérifier le couplage entre la rotation du spoke et le signal de fluorescence. Nous allons bien sûr poursuivre les recherches de part et d’autre de l’Atlantique sur cette méthode probablement nouvelle car elle pourrait se révéler plus puissante que la méthode classique de comptage d’impulsions pour l’étude de phénomènes instationnaires.

Dans mes derniers articles, j’ai à plusieurs reprises mentionné le terme d’instabilité de spoke mais sans jamais véritablement donner de détails. Le nom complet est en anglais « rotating spoke instability ». Le terme de spoke est ici difficile à traduire. Littéralement, c’est le rayon d’une roue de vélo.
Il s’agit d’une instabilité plasma macroscopique (dont la taille n’est pas négligeable devant les dimensions du système) observée dans des décharges magnétisées en configuration de champs électrique E et magnétique B perpendiculaires. On la trouve ainsi dans les propulseurs de Hall (annulaires et cylindriques), dans les magnétrons, dans les colonnes linéaires… L’image ci-dessus présente une série de photographies prises par une caméra CCD rapide d’une telle instabilité dans notre propulseur de Hall PPI fonctionnant à basse tension. Il s’agit de 4 vues de face prises à des instants différents. L’instabilité (en rouge et jaune), qui est de grande taille (elle remplit toute la largeur du canal), tourne dans le sens de la dérive E×B.
L’instabilité correspond à une région où la densité de plasma est plus élevée que la densité moyenne (d’où une lumière plus intense sur les images). L’origine de l’instabilité reste inconnue. Il s’agirait d’une onde d’ionisation se propageant dans la direction azimutale. Des expériences montrent qu’il existe un champ électrique azimutal associé à cette instabilité et que ce champ est à l’origine d’un transport du courant vers la région anodique.
Je dirai que presque tout reste à faire au sujet de ce « spoke » aussi bien sur le plan théorique, que numérique et expérimental. Il est nécessaire bien sûr de comprendre l’origine et la dynamique de cette instabilité mais aussi de quantifier son effet sur les propriétés et les performances des systèmes au sein desquels elle se forme.

2 commentaires

  1. est ce que cette instabilite existe ds n’importe quel regime? je suppose qu’elle n’existe que ds un regime basse tension ou le temps de deplacement axial des ions est assez lent par rapport a un temps de rotation des electrons.

    quelles sont donc les impactes sur un vrai propulseur fonctionnant ds un regime « normal »?
    De meme un propulseur fonctionnant, a moyenne tension mais haute pression, du fait des collisions ds la zone anodique reduira ce type d’instabilite?oui/non?

    @+

  2. Salut Luc.
    A basse tension (typiquement < 150 V), le spoke est en mode m=1 en général, cohérent (rotation quasi-périodique) et assez intense. Il se forme facilement à faible tension car il est lié au processus d'ionisation qui est alors inhomogène et instable. En fait je pense que l'on peut voir cette instabilité comme une instabilité de respiration mais dans la direction azimutale. Des travaux récents réalisés au Michigan chez Alec Gallimore montrent qu'en réalité le spoke est toujours présent dans un propulseur de Hall mais avec des modes m>1 et un comportement plutôt chaotique (note que l’oscillation de respiration peut être vue comme un spoke de mode m=0). Le nombre de mode m augmente avec la taille. Il peut aussi y avoir des cas ou des spokes (m=1) se propagent dans la direction anti ExB.
    Dans les propulseurs cylindrique le spoke semble dépendre du champ B, de la position de l’anode et de la pression extérieure. En ce qui concerne les magnétrons, tout, ou presque, reste à découvrir.

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