Ondes et instabilités

Différents types d’ondes peuvent se propager dans les plasmas, qu’elles soient de nature électromagnétique ou de nature purement électrique. De fait les interactions que l’on peut avoir avec les plasmas se font souvent par l’intermédiaire d’ondes, qu’il s’agisse de les chauffer (auquel cas les processus d’absorption sont essentiels), de les sonder (par exemple par interférométrie), ou simplement de les observer via le rayonnement qu’ils émettent. La connaissance des propriétés de propagation de ces ondes est donc une composante essentielle de la physique des plasmas qui est abordée dans ce module. Dans certains cas le plasma s’écarte des conditions de l’équilibre thermodynamique au point que certains modes électromagnétiques ou électriques voient leur amplitude croître exponentiellement dans le temps ou dans l’espace. Quelques notions et exemples de telles instabilités seront également présentés. Après une première partie consacrée à l’étude des ondes et des instabilités dans les plasmas, le cours s’oriente dans deux directions traitées en parallèle : les plasmas naturels inhomogènes et l’Interaction Ultra-Haute Intensité.

Ondes et instabilités dans les plasmas :

Ondes en théorie fluide : Relation de dispersion – Vitesse de phase et vitesse de groupe – Equations fluides linéarisées – Constante diélectrique du plasma – Ondes électromagnétiques – Fréquence de coupure – Densité critique – Energie d’une onde électromagnétique – Absorption collisionnelle en plasma homogène et inhomogène – Approximation WKB – Absorption résonnante – Ondes plasmas électroniques (ondes de Langmuir) – Ondes acoustiques ioniques (ondes sonores). Ondes nonlinéaires, soliton acoustique ionique – Couplage résonant à trois ondes.

Théorie cinétique des ondes électrostatiques : Ondes électrostatiques – Système d’équations de Vlasov-Poisson linéarisées – Fonction diélectrique – Fonction de Fried et Conte – Solution de Landau – Amortissement Landau – Piégeage de particules – Interaction onde-particule et approche physique de l’amortissement Landau – Instabilités électrostatiques – Taux de croissance – Instabilité faisceau-plasma – Limite hydrodynamique – Instabilité 2 faisceaux – Critères d’instabilité – Instabilités électromagnétiques – Instabilité de Weibel.

Plasmas magnétisés : Ondes électrostatiques – Tenseur diélectrique des ondes électromagnétiques – Equation de dispersion – Résonances cyclotron – Onde électromagnétique en plasma faiblement magnétisé – Ondes hybrides basse et haute – Ondes de sifflement – Approche des instabilités anneau, cône de perte et fan.

Coloration plasmas naturels :

Plasmas inhomogènes. Ondes de dérive et micro-instabilités. Turbulence de Langmuir. Illustrations dans les plasmas spatiaux.

Coloration Ultra Haute intensité :

Dynamique électronique en présence d’une onde électromagnétique relativiste – Relation de dispersion d’une onde relativiste dans un plasma froid. Transport résistif d’un faisceau intense d’électrons relativistes dans un milieu dense – Courant maximum d’un faisceau d’électrons relativistes. Instabilités faisceau-plasma relativiste.