L’instabilité elliptique peut apparaître dès qu’un écoulement présente des lignes de courant elliptiques, ce qui en fait une instabilité générique des fluides tournants. Si sa pertinence en aéronautique ne laisse plus de doute, sa prise en compte dans l’étude des écoulements géo- et astrophysiques pose de nombreuses questions qui constituent la motivation principale de ce travail théorique, numérique et expérimental. Après une introduction aux écoulements tournants, le chapitre 1 présente les trois forçages mécaniques présents aux échelles planétaires qui seront considérés dans ce travail : les marées, la précession et la libration. Un état de l’art sur les écoulements et les instabilités associés à ces forçages est alors décrit, formant le cadre de cette étude. Le chapitre 2 présente les premières simulations numériques de l’instabilité elliptique en géométrie ellipsoïdale. Ces simulations nous permettent de quantifier l’influence de différentes complexités géophysiques et d’obtenir des lois d’échelles caractérisant l’instabilité. L’interaction de l’instabilité elliptique avec les deux autres forçages mécaniques est ensuite considérée. La section 2.4 montre que la présence simultanée de marées et de libration est susceptible d’exciter une instabilité elliptique au sein des astres synchronisés. La section 2.5 développe et valide une théorie analytique sur l’interaction des marées et de la précession. Enfin, la section 2.6 démontre que l’instabilité elliptique peut se développer à partir d’écoulements convectifs ou stratifiés. Le chapitre 3 s’intéresse à la magnétohydrodynamique (MHD) de l’instabilité elliptique. De nouveaux résultats sur l’aspect inductif de l’instabilité sont obtenus et validés numériquement. La génération d’un effet dynamo associé à l’instabilité elliptique est également abordé. Une partie expérimentale liée à ce travail est ensuite décrite, basée sur un dispositif MHD. Après une étude de la dynamique non-linéaire de l’instabilité sous champ, le dispositif est modifié afin de mettre en place une dynamo synthétique. L’amplitude du champ magnétique imposé pouvant être assez assez grande pour restabiliser l’écoulement, ce dispositif permet d’étudier la saturation par l’écoulement d’une telle dynamo. Des premiers résultats en ce sens sont présentés. Le chapitre 4 utilise les résultats obtenus pour étudier la présence de l’instabilité elliptique au sein de planètes, lunes et étoiles connues. Le cas particulier de la Lune est d’abord considéré et un scénario, basé sur l’instabilité elliptique, est proposé puis évalué pour expliquer la dynamo lunaire primitive. Les astres telluriques sont ensuite considérés dans un cadre plus général, et une étude de stabilité adaptée à ce contexte montre que l’instabilité est possible sur la Terre primitive, Europe et trois exoplanètes (55CnCe, CoRoT-7b et GJ1214b). Enfin, la possible existence de l’instabilité au sein de certains systèmes extra-solaires à Jupiter chauds est considérée, montrant sa pertinence pour certains d’entre eux tel que celui de Tau-boo. / The elliptical instability is a generic instability which takes place in any rotating fluid whose streamlines are (even slightly) elliptically deformed. Its presence in an aeronautical context is well established, but its existence in geo- or astrophysical large scale flows raises many issues. This is the starting point of this theoretical, numerical and experimental work.After introducing basics of the rotating flows, chapter 1 presents the three natural planetary mechanical forcings considered in this work : tides, precession and libration. A state-of-the-art of the flows and instabilities associated with these forcings is then given, which constitutes the framework of this study.Chapter 2 presents the first numerical simulations of the elliptical instability in an ellipsoidal geometry, relevant for planets. These simulations allow to quantify the influence of different natural geophysical complexities, and to derive the scaling laws needed to bridge the gap between numerics and planetary applications. The interaction of the elliptical instability with the two other forcings is then considered. Section 2.4 shows that the simultaneous presence of tides and libration can excite an elliptical instability inside fluid layers of synchronized celestial bodies. In section 2.5, a theoretical analysis of the interaction between tides and precession is developed and validated. Finally, in section 2.6, we prove that the elliptical instability can still develop over convective or stratified flows.Chapter 3 focuses on the magnetohydrodynamics (MHD) of the elliptical instability. New results on the magnetic induction by the elliptical instability are obtained and validated numerically. The possible dynamo capability of the instability is also tackled. The experimental part of this work, based on a MHD setup, is then described. Our measurements allow to study the non-linear dynamics of the instability under an external imposed magnetic field. The experimental setup is then modified in order to obtain a synthetic dynamo. The amplitude of the imposed magnetic field being large enough to restabilize the flow, this setup allows to study the saturation by the flow of such a dynamo. First results on this point are presented. Chapter 4 uses the obtained results to study the presence of the elliptical instability in known planets, moons, and stars. The particular case of the Moon is first considered and a scenario, based on the elliptical instability, is proposed and evaluated to explain the primitive lunar dynamo. Telluric bodies are then considered in a more general context, and a stability analysis adapted to this context shows that the instability can be expected in the Early Earth, Europa and three exoplanets (55CnCe, CoRoT-7b et GJ1214b). Finally, the possible development of the instability in extra-solar Hot-Jupiters systems is considered, showing its relevance for some of them, such as the system of Tau-boo.

This work focuses on efficient modelling and adaptive control of friction damping in bladed disks. To efficiently simulate the friction contact, a full-3D time-discrete contact model is reformulated and an analytical expression for the Jacobian matrix is derived that reduces the computation time drastically with respect to the classical finite difference method. The developed numerical solver is applied on bladed disks with shroud contact and the advantage of full-3D contact model compared to a quasi-3D contact model is presented. The developed numerical solver is also applied on bladed disks with strip damper and multiple friction contacts and obtained results are discussed. Furthermore, presence of higher harmonics in the nonlinear contact forces is analyzed and their effect on the excitation of the different nodal diameters of the bladed disk are systematically presented. The main parameters that influence the effectiveness of friction damping in bladed disks are engine excitation order,  contact stiffnesses,  friction coefficient, relative motion at the friction interface and the normal contact load. Due to variation in these parameters during operation, the obtained friction damping in practice may differ from the optimum value. Therefore, to control the normal load adaptively that will lead to an optimum damping in the system despite these variations, use of magnetostrictive actuator is proposed. The magnetostrictive material that develops an internal strain under the influence of an external magnetic field is employed to increase and decrease the normal contact load. A linearized model of the magnetostrictive actuator is used to characterize the magnetoelastic behavior of the actuator.  A nonlinear static contact analysis of the bladed disk reveals that a change of normal load more than 700 N can be achieved using a reasonable size of the actuator. This will give a very good control on friction damping once applied in practice. / <p>QC 20170310</p> / TurboPower

Les glaces polaires, en plus d'améliorer notre compréhension du climat, donnent accès aux retombées de béryllium-10 (10Be), isotope d'origine cosmogénique formé par l'interaction du rayonnement cosmique et des hautes couches de l'atmosphère. Son taux de production dépend de l'intensité du rayonnement cosmique primaire, qui est modulé par l'activité solaire et le champ magnétique terrestre. Le 10Be contient donc des informations sur ces deux paramètres. Il a permis, entre autres, l'amélioration des chronologies des carottes de glace grâce à des marqueurs stratigraphiques absolus liés à des évènements remarquables du champ géomagnétique comme l'excursion de Laschamp ou l'inversion de Brunhes-Matuyama.EPICA Dome C (75° 06' S, 123° 21' E) est une carotte de glace de 3270 m de long forée en Antarctique Est. Elle offre un enregistrement climatique complet durant les 800 000 dernières années (kyr BP). Dans le cadre de cette thèse, 2200 échantillons de 10Be ont été mesurés entre 2384 m (269 kyr BP) et 2627 m (355 kyr BP) de profondeur. Cette séquence continue offre, d'une part, la possibilité d'étudier l'activité solaire durant la période interglaciaire du Stade Isotopique Marin (MIS) 9.3, où la résolution atteint ~20 ans. Nos résultats contrastent avec ceux durant l'Holocène, avec l'absence remarquée du cycle de de Vries (210 ans) dans notre profil de 10Be. D'autre part, cette séquence nous a permis de vérifier que l'estimation classique de l'accumulation de neige obtenue par les modèles de datation de carottes de glace est correcte à 20% près lors de la succession des cycles glaciaires – interglaciaires.Ces mesures ont été combinées avec celles précédemment effectuées sous la responsabilité de Grant Raisbeck (publication en préparation). Ceci permet de disposer d'un profil continu et détaillé (résolution de 20 à 250 ans) entre 200 et 800 kyr BP sur la carotte de glace EPICA Dome C. Les variations de flux de 10Be observées se comparent bien aux changements d'intensité du champ géomagnétique enregistrés dans les sédiments marins. À partir de cette observation, il est possible de proposer une synchronisation de ces profils afin de les placer sur une échelle d'âge commune. Les déphasages observés entre l'augmentation de température en Antarctique (augmentation du D à EDC) et la hausse du niveau marin global (baisse du 18O marin des archives sédimentaires) n'excèdent pas 3200 ans excepté à la Terminaison VII. La faible résolution des enregistrements de 18O dans les sédiments marins rend l'analyse des déphasages délicate. Les résultats obtenus encouragent à analyser des périodes plus récentes autour de la Terminaison II, incluant les excursions géomagnétiques de Blake et d'Iceland Basin. Ceci permettrait en effet de contraindre plus fortement la synchronisation entre le signal paléomagnétique dans les sédiments marins et le flux de 10Be à EDC. / The polar ice cores, in addition to improving our understanding of the climate, give access to beryllium-10 (10Be) fallout, an isotope of cosmogenic origin created by the interaction of Galactic Cosmic Rays with the upper atmosphere. Its production rate depends on the intensity of the primary cosmic rays, which are modulated by solar activity and the Earth's magnetic field. 10Be therefore provides information on these two parameters. It has allowed, among others, the improvement of ice cores chronologies thanks to absolute stratigraphic markers linked to remarkable events of the geomagnetic field as the Laschamp excursion or the Brunhes-Matuyama reversal.EPICA Dome C (75° 06' S, 123° 21' E) is a 3270~m ice core drilled in East Antarctica. It offers a complete climate record over the last 800 000 years (kyr BP). In the framework of the PhD, 2200 10Be samples were measured between 2384 m (269 kyr BP) and 2627 m (355 kyr BP) deep. This continuous sequence provides, on the one hand, the opportunity to study the solar activity during the interglacial period of the Marine Isotope Stage (MIS) 9.3, where the resolution reaches ~20 years. Our results contrast with those during the Holocene, with the noted absence of the de Vries cycle (210 years) in our 10Be profile. On the other hand, this sequence allowed us to verify that the classical estimate of snow accumulation obtained by the dating models of ice cores is correct to within 20% during the succession of glacial – interglacial cycles.These measurements were combined with those previously performed under the responsibility of Grant Raisbeck (publication in preparation). This allows to dispose of a continuous and detailed profile (resolution: 20 to 250 years) between 200 and 800 kyr BP on the EPICA Dome C ice core. The observed 10Be flux variations compare well with changes in the intensity of the geomagnetic field recorded in marine sediments. From this observation, it is possible to propose a synchronization of these profiles in order to place them on a common age scale. The observed phase shifts between the rise of temperature in Antarctica (increase of D at EDC) and the rise of global sea level (decrease of marine 18O from marine sediments) do not exceed 3200, except at the Termination VII. The low resolution of the 18O records from marine sediments makes it difficult to analyze the phase shifts. The obtained results encourage to analyze more recent periods around Termination II, including the Blake and Iceland Basin geomagnetic excursions. Indeed, this would allow to constrain more strongly the synchronization between the paleomagnetic signal in marine sediments and the 10Be flux at EDC.

La supraconductivité non-conventionnelle a récemment été observée à proximité d'un point critique induit sous pression dans CePt$_2$In$_7$ et dans FeSe. Le premier est un fermion lourd tandis que le deuxième fait parti de la famille des supraconducteurs à base de Fer. Cette thèse a pour objectif de contribuer à la compréhension de ces systèmes à électrons fortement corrélés en étudiant les évolutions des structures cristallographiques et magnétiques, ainsi que les surfaces de Fermi sous conditions extrêmes.Tout d'abord, nous présentons une étude de diffraction de neutrons dans la phase magnétique de CePt$_2$In$_7$. Une seule structure magnétique, avec comme vecteur de propagation $textbf{Q} = (0.5,0.5,0.5)$ et $0.45~mu_B$ par atome de Cérium à 2 K, a été détectée en dessous de $T_N = 5.5$ K.Ensuite, des mesures de torque sous champ pulsé de CePt$_2$In$_7$ ne montrent aucun changement des surfaces de Fermi jusqu'à 70 T, bien au-dessus du point critique quantique induit sous champ, attendu à $55-60$ T selon la littérature. Cependant, ces mesures révèlent une claire anomalie métamagnétique à 47 T, très peu dépendante de la température et de l'orientation du champ ainsi qu'une chute des masses effectives vers 50 T. Nous suggérons que ces deux derniers éléments sont la manifestation d'un changement de valence des atomes de Ce de l'ordre de 0.06 électron par atomes de Cérium.L'étude des surfaces de Fermi de CePt$_2$In$_7$ sous pression a nécessité un développement instrumental à partir d'un circuit résonant à base d'une diode tunnel, combinée avec une cellule de pression de type Bridgman. Nous montrons qu'il est tout à fait possible de sonder les surfaces de Fermi à la fois sous champ magnétique et sous pression avec cette technique. Cependant, la fragilité du système résonnant nous amène à considérer des améliorations en vue de fiabiliser la mesure.Enfin, nous analysons une expérience de diffraction de rayons X sur un échantillon de FeSe sous pression hydrostatique. A 20 K, nous quantifions un durcissement de l'axe cristallographique $c$ qui s'opère à 1.9 GPa. A 50 K, outre le passage d'une maille orthorhombique à tétragonale à 1 GPa, nous mettons en évidence qu'une symétrie monoclinique s'installe à partir de 2 GPa, où, selon la littérature, une phase antiferromagnétique apparaît. / Unconventional superconductivity was recently observed in the vicinity of a pressure-induced quantum critical point in CePt$_2$In$_7$ and FeSe. The former is a heavy fermion compound, while the latter is an iron-based superconductor. This PhD thesis aims at improving our understanding of the physics of these newly discovered strongly correlated electron systems. This is achieved by experimental investigation of the evolution of crystal and magnetic structures, as well as of the Fermi surfaces under extreme conditions of high magnetic fields, high pressure, and low temperatures.We have investigated the magnetic structure of CePt$_2$In$_7$ by neutron diffraction. We observed only one magnetic propagation vector $textbf{Q} = (0.5, 0.5, 0.5)$ below $T_N = 5.5$ K. The magnetic moment is estimated at $0.45~mu_B$ per cerium atom at 2 K.Our torque measurements on CePt$_2$In$_7$ in pulsed fields suggest that the Fermi surfaces remain unchanged up to 70 T. This is well above the field-induced quantum critical point, which is expected to occur at $55-60$ T according to previous studies. However, a clear metamagnetic-like anomaly is found at 47 T. The anomaly is almost temperature and field-angle independent. Furthermore, a sudden drop of the effective mass is observed at about the same field. We suggest that the last two observations are most naturally accounted for by a valence crossover, where the cerium valence changes by about 0.06, the order of magnitude expected in Ce-based compounds.In order to study the Fermi surfaces of CePt$_2$In$_7$ under pressure, we developed a tunnel diode oscillator combined with a Bridgman-type pressure cell. We have demonstrated that this set-up is suitable for measuring quantum oscillations both at high magnetic fields and under high pressure. However, the working conditions of the oscillator have to be improved in order to obtain a more reliable system.Finally, we performed an X-ray diffraction experiment on FeSe under hydrostatic pressure. At 20 K, we found a change of the bulk modulus along the $c$ axis at 1.9 GPa. At 50 K, the orthorhombic to tetragonal crystallographic phase transition occurs at 1 GPa. We found evidences that this is followed by the emergence of a monoclinic symmetry above 2 GPa, where an antiferromagnetic phase was previously reported.

Este trabalho apresenta os avanços no desenvolvimento de um novo método de ensaio não-destrutivo magnético. O método está baseado na técnica do Ruído Magnético de Barkhausen (RMB), particularmente em uma variante denominada Barkhausen Contínuo. O RMB é gerado devido à ação de um campo magnético variável magnetizante que produz mudanças abruptas e irreversíveis na estrutura magnética do material. Essas mudanças são influenciadas pela microestrutura e a distribuição de tensões dentro do mesmo. As medições podem ser usadas para construir uma distribuição bidimensional do RMB ao redor de um ponto fixo, cujo resultado irá refletir o nível de anisotropia magnética, usualmente indicando um eixo de fácil magnetização, parâmetro relevante dado que o comportamento da grande maioria de materiais ferromagnéticos de engenharia é usualmente anisotrópico. As mudanças no eixo de fácil magnetização podem indicar a presença de anomalias mecânicas ou abnormalidades no processo de fabricação e no caso da aplicação de uma tensão externa, podem refletir a magnitude e a direção da mesma. O presente trabalho descreve uma metodologia que faz uso de um campo magnético rotacional para obter sinais RMB relacionados ao angulo de giro, possibilitando a identificação da direção do eixo de fácil magnetização, ultrapassando as capacidades oferecidas pela técnica RMB convencional mediante o fornecimento de informação em tempo real, que permite a obtenção de um conjunto de parâmetros que quantificam a anisotropia magnética de uma amostra. A técnica foi usada para a detecção do eixo de fácil magnetização e o nível de anisotropia magnética em materiais diferentes devida aos efeitos do processo de fabricação. Posteriormente foi demonstrado que a técnica é capaz de monitorar a evolução da tensão uniaxial aplicada, obtendo curvas de calibração, sensíveis ao sentido de aplicação da tensão. Para o caso pouco estudado de amostras submetidas a tensões biaxiais, o uso da técnica do Barkhausen contínuo rotacional fez possível de verificar que as características morfológicas das medições de anisotropia magnética obtidas, guardam relação com a direção das tensões principais. Foi realizada uma avaliação do método aplicado para a medição dinâmica de anisotropia magnética em juntas soldadas, indicando estados de tensão e características microestruturais coerentes com as esperadas. O método tem a possibilidade de ser implementado para medições anisotropia magnética em alta resolução/alta velocidade. / This works presents the current advances on the development of a new method of magnetic non-destructive testing. The method is based on the magnetic Barkhausen noise (MBN), more specifically in one branch known as Continuous Barkhausen. MBN is produced due to the effect of a variable magnetic field, which causes abrupt and irreversible changes to the magnetic structure of the material. These changes are influenced by the microstructure of the material and the stress distributions within. Measurements can be used to construct a bi dimensional MBN distribution around a fixed point, which in turn will be a reflect of its magnetic anisotropy level, usually characterized by an easy axis of magnetization, an important parameter given that more often than not, the behavior of most engineering ferromagnetic materials is anisotropic. Variations of the easy axis could be the indication of mechanical anomalies or abnormalities that appear as a result of the fabrication process. If there is an external stress applied to the sample, it can provide information about its magnitude and direction. The present work describes a methodology which uses a precise rotating magnetic field in order to obtain MBN signals related to a given magnetization angle, making possible the finding of the easy axis, exceeding the limits of conventional MBN measurements by providing real time data which in turn will allow to infer a set of parameters that quantify the magnetic anisotropy of the sample. The proposed technique was successfully used to find both the easy axis and a quantitative level of magnetic anisotropy between different materials, consequence of the fabrication process. Subsequently, it was shown that the technique was able to perform a monitoring of the evolution of both uniaxial and biaxial applied stress, obtaining linear relationships (uniaxial case), sensitive to the direction of loading. In not so much studied case of biaxial loading, the use of the continuous rotational Barkhausen method made possible to observe that the morphologic characteristics of the magnetic anisotropy measurements bear a close resemblance to the direction of the principal stress field. An evaluation of the technique as a tool for the dynamic measurement of magnetic anisotropy on welded joints, indicating stress states and microstructural features coherent with the ones expected in this scenario. The method has the possibility of being implemented as a technique for high speed/high resolution measurements of magnetic anisotropy.

Le travail effectué dans cette thèse a pour thème central la conception d’un aimant quadripolaire supraconducteur en Nb-Ti destiné à remplacer à l’horizon 2014 les aimants d’insertions actuellement utilisés dans le grand collisionneur de Hadrons (LHC) du CERN de Genève. Ce nouveau quadripôle, caractérisé par un diamètre d’ouverture encore jamais atteint (120 mm), ouvre la voie vers les quadripôles à grandes ouvertures. Tout d’abord, pour rapidement estimer l’énergie magnétique stockée dans un quadripôle de type cos2?, une formule analytique basée sur la décomposition en série de Fourier du courant et permettant d’estimer l’énergie avec une précision de 10 % est développée. Le design magnétique de la section transverse de la bobine du quadripôle est ensuite réalisé en utilisant une nouvelle méthode d’optimisation basée sur les équations analytiques du champ magnétique. Puis, pour la première fois, une estimation de la reproductibilité dans le positionnement des blocs de conducteurs dans des aimants Nb3Sn est faite. Elle a été réalisée à l’aide d’une méthode existante et grâce à la production récente de deux séries d’aimants Nb3Sn. Une comparaison avec les valeurs obtenues pour des aimants en Nb-Ti est présentée. Ensuite, une méthode analytique basée sur les statistiques et permettant d’expliquer certains phénomènes observés sur la dispersion des mesures magnétiques dans une série de quadripôles est développée. Enfin, on montre que l’incertitude sur la moyenne des harmoniques de champ est due pour la majorité des harmoniques à un phénomène statistique lié au nombre limité d’aimants dans la série et non à des erreurs systématiques / The main objective of the work presented in this thesis is the design of a quadrupole magnet based on Nb-Ti. It aims at replacing the current insertion quadrupoles used in the Large Hadron Collider (LHC) at CERN by 2014. This new quadrupole features an unprecedented large aperture (120 mm) and opens the way toward large aperture quadrupoles. First, to rapidly estimate the magnetic energy stored in a cos2?-type quadrupole, an analytical formula based on the Fourier transform of the current is developed. It allows estimating the energy with a precision of 10 %. Secondly, the magnetic design of the quadrupole coil cross-section is realized using a novel optimization method based on analytical equations of the magnetic field. Subsequently, for the first time, an estimate of the reproducibility in the coil-blocks positioning in Nb3Sn magnets is given. The estimate has been obtained by using an existing method and from tow recently built Nb3Sn magnet series. A comparison with values obtained for Nb-Ti magnets is also presented. Following this, an analytical method based on statistics is developed. It makes possible to explain some phenomenon observed on the dispersion of the magnetic measurement in a quadrupole series. Finally, we show that the uncertainty in the mean of the magnetic field errors is for most of the harmonics related to statistical errors due to the limited number of magnets in the series, and not because of systematic defects in the coil

L’actualité des travaux de recherche dans le domaine des moteurs électriques repose en partie sur des machines utilisant des matériaux supraconducteurs. En effet, ces matériaux des caractéristiques intéressantes pour des applications à champ magnétique et courant élevés, en étant refroidis à très basse température, en général de 4 à 77K. Ce qui est un paramètre important pour développer des machines de fortes puissances avec un encombrement minimal. Nous proposons d’utiliser les caractéristiques de fort courant et fort champ magnétique des fils supraconducteurs ainsi que les capacités de blindage magnétique des supraconducteurs massifs pour le développement de moteurs supraconducteurs. Nous avons développé et réalisé les essais d’une machine synchrone supraconductrice de 250kW, à inducteur supraconducteur tournant. Nous continuons les travaux sur les machines supraconductrices à topologies originales, avec la modélisation 3D d’un nouvel inducteur, à pans coupés. Mais également par de nouveaux essais et développements de la machine à concentration de flux magnétique réalisée dans des travaux précédents / An important part of electrical machines research activities focus on superconducting motors. In fact, an important magnetic field and high current are possible with these materials, used at low temperature, generally 4 to 77K. These two parameters allow an interesting motor development, with higher electrical power and a minimal overcrowding. In front of high magnetic flux and high current superconducting caracteristics and bulk screening effect, we suggest several superconducting motors development. We developed and realized a 250kW synchronous superconducting motor, with a rotating superconducting inductor. Then, using 3D finite element software, we introduce an original superconducting inductor topology, nammed "pan coupé". Besides, we show new test and development of the magnetic flux concentration motor constructed 4 years ago

Gegenstand dieser Arbeit ist die retrograde Bewegung des Vakuumbogens, einer Bewegung des Bogenfußes entgegen der Lorentz-Kraft. Die retrograde Bewegung wird auf die Bewegung der Brennflecke des Kathodenansatzes zurückgeführt. Es wurden die Unterstrukturen der Brennflecke und ihre Bewegung im Magnetfeld untersucht. Dabei wurden bekannte makroskopische Erscheinungen (Plasmakante entlang der Magnetfeldlinien) erstmalig beobachteten mikroskopischen Erscheinungen (Jets) zugeordnet. In der vorliegenden Arbeit wurden die Eigenschaften der Jets bestimmt. Desweiteren wurde aus Untersuchungen zur Schrittweite und zeitlichen Abfolge der Brennfleckbewegung unter dem Einfluß des externen Magnetfeldes abgeleitet, daß die zufällige Bewegung des Brennflecks und seiner Bestandteile im magnetfeldfreien Fall auf kleineren Orts- und Zeitskalen als die retrograde Bewegung des Brennflecks (200...300µm) und (1...4µs) erfolgt und damit auch verschiedene Mechanismen ihre Ursache sind. Die beobachteten Jets, die aus dem Brennfleckkern emittiert werden, liefern eine Erklärung für die retrograde Bewegung. In den Jets werden elektrische Felder generiert, welche zur Neuzündung von Brennflecken beitragen. Sie sind der Hauptgrund für die Asymmetrie auf der retrograden Seite (Jets) und der Vorwärtsrichtung (keine Jets). Außerdem konnte gezeigt werden, daß bei heißen Kathoden keine Bewegungsumkehr der retrograden Bewegung erfolgt. Dadurch konnte Klarheit in Bezug auf ältere Veröffentlichungen geschaffen werden, die der retrograden Bewegung eine solche Erscheinung zugeordnet haben. / This thesis treats the phenomenon of retrograde motion of vacuum arcs, the motion of the arc root in the opposite direction of the Lorentz-force. The retrograde motion is attributed to the motion of the cathode spots. The sub-structures of cathodes spots and their motion in a magnetic field were examined. Known macroscopic phenomena (plasma edge along the magnet field lines) were related to observed microscopic phenomena (jets). These jets have been observed for the first time and their properties have been determined. From investigations of typical step widths and time constants of the cathode spots' motion in an external magnetic field it was derived, that random walk and retrograde motion of cathode spots and its fragments in the magnetic field-free case occur on smaller spatial (200...300µm) and temporal (1...4µs) scales than the retrograde motion of the spot. This leads to the conclusion that the mechanisms of both types of motion are different. The observed jets, which are emitted from the spot core, supply an explanation for the retrograde motion. Within the jets electrical fields are generated, which contribute to the ignition of new cathode spots. The jets are the reason for asymmetry on the retrograde side (jets) and the forward direction (no jets). Additionally it could be shown that with hot cathodes no reversal of the retrograde motion occurs. This cleared the assertion of older publications that a reversal of the retrograde motion is linked to the cathode temperature.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Si-dotierte und undotierte 4” VGF-GaAs Einkristalle unter dem Einfluss von Wandermagnetfeldern (TMF) gezüchtet. Die für den Prozess benötigte Wärme und das Wandermagnetfeld wurden simultan mithilfe der kombinierten Regelung von Gleich- und Wechselströmen in einem KRISTMAG Heizer-Magnet-Modul (HMM) erzeugt. Alle Züchtungsexperimente wurden in einer kommerziellen VGF-Anlage mit eingebautem Eintiegel-HMM und in einer neu entwickelten VGF-Anlage mit Multitiegel-HMM durchgeführt. Der Einfluss der durch die Lorentzkräfte angetriebenen Schmelze auf die Form der fest-flüssig Phasengrenze wurde innerhalb einer TMF-Parameterstudie analysiert. Im Vergleich mit Referenzkristallen, welche ohne TMF gezüchtet wurden, zeigte sich, dass die Durchbiegung der Phasengrenze durch die Anwendung eines geeigneten Doppelfrequenz-TMF um etwa 30% verringert und der Kontaktwinkel am Tiegel um etwa 10% vergrößert werden kann. Zudem wurden Synergieeffekte von TMF-Anwendung und den Ansätzen zur Prozessintensivierung - Scale-Up, Speed-Up und Numbering-Up - für die Verbesserung der Prozesseffizienz erfolgreichnachgewiesen. Es wurden gleichzeitig zwei 4” VGF-GaAs:Si Einkristalle unter dem Einfluss eines TMF in einer Multitiegel-Anlage gezüchtet. In Kristallen, welche ohne oder mit zu starkem TMF gezüchtet wurden, waren Wachstumsstreifen sichtbar. Wurde die magnetische Flussdichte des TMF an den Kristallisationsverlauf angepasst, konnten nahezu keine Mikroinhomogenitäten detektiert werden. Die Länge der Kristallfacetten stabilisierte sich durch den Einsatz der Wandermagnetfelder. Zusätzlich konnten die Versetzungsdichten innerhalb der Kristalle durch Optimierung des thermischen Aufbaus und der Phasengrenzform signifikant reduziert werden. Mithilfe eines dem Züchtungsverlaufes angepassten Doppelfrequenz-TMF sowie der Nutzung eines BN-Suszeptors, wurde eine durchschnittliche EPD von 100 cm-2 in einem GaAs:Si Kristall erzielt. / Within the framework of this thesis Si-doped and undoped 4” VGF-GaAs single crystals were grown under the influence of traveling magnetic fields (TMF). A KRISTMAG heater-magnet module (HMM) was used for the efficient simultaneous generation of heat and TMF during the process through a combination of DC and AC control. Growth experiments were carried out in a commercial VGF growth setup equipped with a single-crucible HMM and a newly designed VGF setup with a multi-crucible HMM. The impact of the Lorentz force driven melt flow on the shape of the solid-liquid interface was analyzed in a TMF parameter study on frequency, phase shift, and current. With the application of suitable double-frequency TMF during growth, the interface deflection was reduced by about 30% and crucible contact angles increased within the order of 10%, compared to reference crystals grown without TMF. Synergy effects of TMF application on process intensification approaches scale-up, speed-up, and numbering-up were successfully shown. Two 4” VGF-GaAs:Si single crystals were simultaneously grown under the influence of a TMF in the multi-crucible HMM. With TMF application changing structural and electronic properties as well as micro- and macrosegregation were investigated on Si-doped VGF-GaAs single crystals. Striations were observed in crystals grown without or too strong TMF. Almost no micro-inhomogeneities were detected when the magnetic flux densities of the TMF were matched to the progression of solidification. Facets lengths in the crystal cone were found to be more stable with applied TMF. Further, the combined optimization of the conventional thermal setup and a reduction of the interface deflection with TMF application significantly reduced dislocation densities inside the crystals. An average EPD value around 100 cm-2 was obtained for GaAs:Si growth with a growth-matched double-frequency TMF and applied BN susceptor in the single-crucible VGF setup.

Eines der größten Probleme bei der kontrollierten Kernfusion ist die immense thermische Belastung der mit dem Plasma in Berührung kommenden Materialien. Um den Energiefluß aus dem Plasma auf eine möglichst große Fläche zu verteilen, werden die betroffenen Komponenten in der Regel so angebracht, da"s das magnetische Feld annähernd parallel zur Oberfläche verläuft. Im Rahmen dieser Arbeit wurden ein spezieller drehbarer Meßkopf zur winkelabhängigen Messung des Strom- und Energieflusses entwickelt und ausführliche experimentelle Untersuchungen zur Winkelabhängigkeit der Teilchen- und Energieflüsse auf eine Fläche durchgeführt. Zum Verständnis der zu Grunde liegenden Mechanismen wird basierend auf den Gyrationsbahnen der Teilchen ein analytisches Modell entwickelt und dessen qualitative Übereinstimmung mit den experimentellen Befunden festgestellt. Die Durchführung der Experimente erfolgte am Plasmagenerator PSI-2, einem linearen Divertor-Simulator mit einem moderaten magnetischen Feld. Der Aufbau des Meßkopfes als ebene Sonde in einer isolierten Fläche enspricht dabei in etwa der einer sogenannten ,,flush-mounted probe''''. Die äußeren Maße der Sonde sind dabei vergleichbar mit dem Ionengyroradius ri}. Während die Elektronen bei den Experimenten stark magnetisiert sind, variieren die Bedingungen für die Ionen zwischen unmagnetisiert und magnetisiert je nach Ionenmasse und Magnetfeldstärke. Bei den Experimenten wurden verschiedene Größen der Plasmarandschicht als Funktionen des Winkels zwischen der Oberflächennormale der Sonde und dem Vektor des magnetischen Feldes bestimmt. / In fusion experiments, the energy flux to the target plates is an important issue. In order to spread the heat load, surfaces are usually designed to intersect magnetic field lines at very shallow angles. In the course of this work, a sensitive probe allowing simultaneous measurements of energy flux and current density as functions of a bias voltage was developed. Extensive experimental data on the particle and energy flux densities as functions of the angle between a surface and the confining magnetic field are provided. An analytical model is developed in order to reveal the physics involved; it is in good qualitative agreement with the experimental results. The experiments were conducted at the PSI-2 facility, a linear divertor simulator with moderate magnetic field strength. The probe was rotated in a spatially homogeneous plasma. The active area, a tungsten covered Peltier module, was immersed in a ceramic surface, closely resembling the geometry of a flush mounted probe. Its dimensions were comparable to the ion gyro radius ri. While the electrons were strongly magnetized, the ion conditions varied between unmagnetized and magnetized depending on the ion species. Sheath parameters were determined as functions of the angle alpha between the probe surface normal and the magnetic field.