Electric antennas for in situ space plasma diagnostic : mutual impedance and quasi-thermal noise
Le système solaire comprend de multiples environnements plasma : le vent solaire, les magnétosphères planétaires intrinsèques et induites, les ionosphères cométaires et planétaires, etc. Pour explorer de manière efficace ces milieux ionisés, il est essentiel de bien comprendre les processus propres...
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| Hovedforfatter: | |
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| Andre forfattere: | , , , , , |
| Format: | Thèse numérique |
| Sprog: | Anglais Français |
| Udgivet: |
2025.
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| Fag: | |
| Online adgang: | Accès au texte intégral https://theses.univ-orleans.fr/public/2025ORLE1029_va.pdf http://www.theses.fr/2025ORLE1029/abes |
| Kommentar: |
Titre provenant de l'écran-titre Ecole(s) Doctorale(s) : Energie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers - EMSTU Partenaire(s) de recherche : LPC2E - Laboratoire de Physique et Chimie de l'Environnement et de l'Espace (Laboratoire) Autre(s) contribution(s) : Sébastien Célestin (Président du jury) ; Jan-Erik Wahlund, Nicolas André, Matthieu Berthomier (Membre(s) du jury) ; Jan-Erik Wahlund, Nicolas André (Rapporteur(s)) |
| Autres localisations: | Voir dans le Sudoc |
| Variante du titre: | Antennes électriques pour les diagnostics in situ des plasmas spatiaux :, impédance mutuelle et bruit quasi-thermique |
| Summary: | Le système solaire comprend de multiples environnements plasma : le vent solaire, les magnétosphères planétaires intrinsèques et induites, les ionosphères cométaires et planétaires, etc. Pour explorer de manière efficace ces milieux ionisés, il est essentiel de bien comprendre les processus propres à la physique des plasmas qui régissent leur structure et leur dynamique. Ces processus sont caractérisés par des interactions entre les particules chargées et les champs électromagnétiques. L'étude expérimentale des plasmas spatiaux nécessite par conséquent de réaliser des mesures des électrons et des ions, ainsi que des champs. Dans cette thèse, je me concentre principalement sur l'utilisation des antennes électriques, utilisées pour les mesures in situ du champ électrique et des propriétés des électrons dans les plasmas spatiaux. Plus précisément, deux méthodes instrumentales sont étudiées : la technique de l'impédance mutuelle et la spectroscopie du bruit quasi-thermique. Ces deux méthodes instrumentales ont été utilisées pour caractériser les propriétés des plasmas spatiaux dans différents environnements, allant des ionosphères et magnétosphères planétaires au vent solaire. Cependant, une approximation a toujours été appliquée pour interpréter les mesures provenant de ces deux méthodes : le plasma est considéré comme non magnétisé. Cette simplification est due au fait que les missions spatiales précédentes n'ont pas été conçues pour fonctionner de manière cohérente dans un environnement où le champ magnétique pourrait avoir un impact significatif sur les mesures. Cependant, les prochaines missions ESA/JAXA BepiColombo et ESA JUICE fonctionneront dans des environnements où le champ magnétique devrait jouer un rôle significatif. Par conséquent, cette thèse vise à développer un outil permettant d'étendre l'application de ces méthodes instrumentales aux plasmas spatiaux magnétisés. Cet objectif est atteint grâce à une approche en deux étapes. Dans un premier temps, je développe deux nouveaux modèles instrumentaux : un pour les expériences d'impédance mutuelle et un pour les expériences de bruit quasi-thermique utilisés dans les plasmas magnétisés. La fonction première de ces modèles est de convertir la mesure brute de l'instrument en diagnostics des paramètres clés : la densité du plasma et la température des électrons. L'influence de l'anisotropie de température des électrons et la présence de populations d'électrons non thermiques sur la mesure instrumentale et les diagnostics in situ du plasma sont également étudiés. Dans un second temps, je valide ces nouveaux modèles en analysant deux séries de mesures effectuées dans des plasmas magnétisés, afin d'extraire un diagnostic plasma de chacune d'entre elles. Pour le bruit quasi-thermique, j'utilise les données des survols de la Terre par la sonde Wind, qui m'ont permis d'obtenir de nouvelles mesures de la densité du plasma et de la température des électrons dans la magnétosphère terrestre. Pour l'impédance mutuelle, j'utilise en revanche une installation expérimentale de laboratoire, la chambre à plasma PEPSO, que j'ai spécifiquement aménagée pour effectuer des mesures d'impédance mutuelle dans un environnement contrôlé constitué d'un plasma magnétisé. Les diagnostics de densité du plasma et de température des électrons qui en résultent, obtenus après comparaison avec mon modèle numérique, sont en accord avec des mesures indépendantes effectuées à l'aide d'une sonde de Langmuir. Ce travail étend l'utilisation des expériences d'impédance mutuelle et de bruit quasi-thermique aux plasmas magnétisés spatiaux. Il représente également une nouvelle approche pour traiter deux techniques instrumentales différentes dans un cadre unifié. Ceci est pertinent pour les futures missions spatiales, telles que BepiColombo. En outre, je propose une piste pour un futur instrument combiné qui exploiterait les points forts des techniques d'impédance mutuelle et de bruit quasi-thermique. The solar system encompasses multiple plasma environments: the solar wind, intrinsic and induced planetary magnetospheres, cometary and planetary ionospheres, etc. To effectively explore these ionized regions, a thorough understanding of the plasma physics processes that regulates their structure and dynamics is crucial. Space plasma processes are characterized by the self-consistent interactions between charged particles and electromagnetic fields. The experimental study of space plasmas therefore requires measurements of electrons and ions, and fields. In this thesis, I focus on electric antennas, used for in situ measurements of electric fields and electron properties in space plasmas. Specifically, two instrumental methods are investigated: the mutual impedance technique and quasi-thermal noise spectroscopy. Both of these instrumental methods have been employed to characterize the properties of space plasmas across various environments, spanning from planetary ionospheres and magnetospheres to the solar wind. However, one approximation has always been consistently applied to interpret the measurements from both: that the plasma is considered unmagnetized. This simplification stems from the fact that previous space missions were not designed to operate consistently in an environment where the magnetic field could have a significant impact on the measurements. The upcoming ESA/JAXA BepiColombo and ESA JUICE missions, however, will operate in environments where the magnetic field is expected to play a significant role. Therefore, this thesis aims to develop a framework to extend the application of these instrumental methods to magnetized space plasmas. This objective is pursued through a two-step approach. First, I develop two instrumental models: one for mutual impedance and one for quasi-thermal noise experiments used in magnetized plasmas. The primary function of these models is to convert the raw instrument output into diagnostics of the key parameters of interest: namely plasma density and electron temperature. The influence of electron temperature anisotropy and the presence of non-thermal electron populations on the instrumental output and in situ plasma diagnostics are also investigated. Second, I validate these new models by analyzing two sets of measurements performed in magnetized plasmas, to extract a plasma diagnostic from each of them. For quasi-thermal noise, I use data from the Wind spacecraft's Earth swing-bys, yielding new plasma density and electron temperature measurements in the Earth's magnetosphere. For mutual impedance, instead, I use the laboratory experimental facility of the PEPSO plasma chamber, which I specifically set up in order to provide mutual impedance measurements in a controlled magnetized plasma environment. The resulting plasma density and electron temperature diagnostics, derived through comparison with the numerical models, are consistent with independent Langmuir probe measurements. This work extends the use of both mutual impedance and quasi-thermal noise experiments to magnetized space plasma environments. It also represents a novel attempt to treat two different instrumental techniques within a unified framework. This is relevant for future space missions, such as BepiColombo. Furthermore, I propose a path for a potential future combined instrument that would leverage the strengths of both mutual impedance and quasi-thermal noise techniques. |
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| Emne beskrivelse: | Titre provenant de l'écran-titre Ecole(s) Doctorale(s) : Energie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers - EMSTU Partenaire(s) de recherche : LPC2E - Laboratoire de Physique et Chimie de l'Environnement et de l'Espace (Laboratoire) Autre(s) contribution(s) : Sébastien Célestin (Président du jury) ; Jan-Erik Wahlund, Nicolas André, Matthieu Berthomier (Membre(s) du jury) ; Jan-Erik Wahlund, Nicolas André (Rapporteur(s)) |
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