Propagation d'onde dans un plasma en mouvement

Wave Propagation in a moving plasma

Pour étudier les phénomènes induits par le mouvement du plasma ou d'une perturbation lors de la propagation d'une onde à fréquence fixe injectée continûment dans le plasma ou par paquets suivant l'effet à observer. Les phénomènes produits sont de différentes natures: Le déplacement en bloc va provoquer un décalage en fréquence qui modifie la vitesse de propagation ainsi que la dispersion. Dans ces conditions un paquet d'ondes est le mieux adapté pour évalauer les conséquences. Pour une variation de propagation lors du déplacement d'une perturbation, il préférable d'utiliser une injection continue pour observer la modulation d'amplitude induite.
On the studies proposed to evaluate the incuded effects by plasma motions or by a moving density perturbation, an adapted choice has to be made for the launched wave. In the case of the plasma motions, a wavepacket is more relevant to evalaute the time of flight variations and dispersion changes, and a continous wave injection is more adapted to show the amplitude modulation associated to a moving density perturbation.

Animation 1: La première animation concerne la propagation d'un pulse gaussien dans un plasma immobile pour appréhender au mieux l'information contenue en elle, un ralentissement temporel a été introduit identifiable par changement de couleur vert -> orange pour montrer que l'effet stroboscopique peut tromper notre perception concernant, par exemple, la vitesse de phase.
Movie1: Time evolution of a pulse with a Gaussian envelop for showing the wave propagation porperties in a steady state plasma, a slowing down is introduced and be identified through a colour change green to orange highlighting the stroboscopic effect on, for example, the phase velocity.

Animation 2: Cette fois le plasma se déplace dans la direction de propagation conduit à une réduction de la fréquence ressentie dans le plasma induisant un accroissement du temps de vol et une dispersion accrue, à nouveau un ralentissement temporel a été introduit identifiable par changement de couleur vert -> orange.
Movie2: Here the plasma is moving in the direction of the wave propagation that induces a downshift of the effective frequency in the plasma, inducing an increase of the time of flight and of the dispersion effects, again a slowing down is introduced and be identified through a colour change green to orange.

Figure1: Evolution temproelle du champ électrique de l'onde en fonction du temps à une position fixe. Le premier pulse correspond au pulse sans mouvement et le second avec. Ici les effets de retard et d'élargissement induit par le déplacement sont visibles directement.
Figure 1: Time evolution of the wave electric field. The first pulse corresponds to those without plasma motion, and on the second one the additional time of flight and enhanced dispersion effects can be observed clearly.

 

Maintenant la question posée concerne la signature sur l'onde sonde d'une perturbation de densité en mouvement dans un plasma stationnaire. Sachant que la vitesse de propagation est affectée par le déplacement de la perturbation de densité on doit donc s'attendre à une modulation de l'amplitude de l'onde transmise. Ce fait est mis en évidence sur la figure 2.
The asked question is now: What is the signature on the probing wave of a moving density perturbation in a steady state plasma. Knowing that the wave velocity is perturbated by the perturbation motion one can expect an amplitude modulation of the transmitted wave. This fact is shown on the figure 2.

Figure 2: Evolution temporelle de l'amplitude du champ électrique de l'onde en fonction du temps à une position fixe après traversée du plasma lors du mouvement d'oscillation d'une perturbation Gaussienne de 5% dans un plasma homogène.
Figure 2: Time evolution of the wave amplitude after going through the homogeneous plasma including an oscillating Gaussian density perturbation (dn/n= 5%).

Il est possible d'arriver à la situation suivante où le choix de la perturbation de densité permet d'avoir un décalage en fréquence conduisant à la réflexion partielle de l'onde lorsque la perturbation se déplace dans le sens de la propagation alors que dans la direction opposée l'onde sonde passe sans problème. Généralement de ce type de configuration il en résulte une forte modulation de l'onde transmise comme cela est montré sur la figure 3 alors que sur le film 3 il faut être attentif pour suivre cette modulation d'amplitude.
The careful design of density perturbation able to generate a frequency shift inducing a cut-off for the launched wave is possible taken into the fact that the down frequency shift is produced when the wave propagates in the direction of the motion. In the opposite case, the launched wave propagates without difficulty. Generally speaking these types of configurations generate a high amplitude modulation of the probing wave as shown on figure 3. Looking at the movie 3 requires to be careful to see it.

Figure 3: Evolution temporelle de l'amplitude du champ électrique de l'onde transmise (à gauche) en fonction du temps à une position fixe après traversée du plasma lors du mouvement d'oscillation d'une perturbation Gaussienne de 15% et l'onde réfléchie (à droite)
Figure 3: Time evolution of the transmitted wave amplitude after going through the homogeneous plasma including an oscillating Gaussian density perturbation (dn/n= 15%) (left) and the reflected wave (right).

Animation 3: La perturbation Gaussienne de densité d'une amplitude de 15% de la densité du plateau oscille dans un plasma homogène. Sur le plateau de densité, le mouvement de la perturbation est clairement visible et induit une modulation quand cette dernière se déplace dans le même sens que l'onde. La réflexion est identifiable par la modulation de l'amplitude sur la gauche. Il faut être attentif pour l'observer sur l'onde transmise. Cet effet ne s'explique que par un décalage en fréquence vers le bas lorsque l'onde et la perturbation se déplace dans la même direction et le même sens.
Movie3: The Gaussian density perturbation is oscillating over the homogeneous plasma. On the plateau, the perturbation motion is clearly seen that induces the down frequency shift if the motions follow the same path. The signature of the reflection can be seen on the left of the plasma when there is a modulation. It needs to be careful on the right side to observe the amplitude modulation. This observation can be explained using Doppler down frequency shift, which is possible only when the wave and the density perturbation go in the same way.

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