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La problématique de génération de champs magnétiques quasi-statiques intenses constitue un défi pour la physique de l’interaction laser-plasma. Proposé il y a 30 ans, l’utilisation de cibles "boucles" irradiées par laser se distinguent par leur design compact ne nécessitant aucune génération de courant pulsé en plus de la puissance laser et ont dévoilé récemment leur grand potentiel.Ce travail de thèse s’attache à la caractérisation des phénomènes physiques et au développement de cette technique. On a ainsi montré la génération de forts champs magnétiques quasi-statiques par interaction laser-matière (500 J, durée laser de 1 ns et intensité ~10^17 W/cm^2) atteignant une amplitude de plusieurs centaines de Teslas pendant 2 à 3 ns. L'évolution temporelle et la distribution spatiale des champs magnétiques ont été mesurés par trois diagnostics indépendants : sondes B-dot, rotation de Faraday et défléctométrie de protons. La caractérisation des mécanismes physiques sous-jacents ont aussi fait appel à des diagnostics de rayonnements X de la région irradiée par laser ainsi qu’à des mesures d’ombroscopie optique du fil de la boucle en expansion.Une application de ces champs au guidage magnétique d’électrons relativistes dans la matière dense a permis d'ouvrir de nouvelles perspectives au transport de hautes densités d’énergies dans la matière. En effet, en laissant suffisamment de temps pour que le champ magnétique pénètre dans la cible dense, une amélioration d’un facteur 5 de la densité d’énergie portée par les électrons après 50 µm de propagation a été mise en évidence.En outre, des décharges de courants intenses consécutives à l'irradiation par impulsion laser courtes (50 J, durée laser < 1 ps et intensité ~10^19 W/cm^2) ont été observées. Une imagerie protonique de la décharge a permis de mesurer la propagation d’une onde électromagnétique à des vitesses proches de la vitesse de la lumière. Cette onde d’une durée de ~ 40 ps a été utilisée comme lentille électromagnétique pour focaliser et sélectionner sur une bande étroite d'énergie un faisceau de protons de plusieurs MeV (jusqu’à 12 MeV) passant dans la boucle.Les résultats de ces différentes mesures et applications expérimentales ont été par ailleurs confrontées à des simulations et à des modèles analytiques.Les applications de cette thèse se déploient sur des aspects comme :- la fusion par confinement inertiel, en guidant des faisceaux d'électrons relativistes jusqu'au cœur de la capsule de combustible, tout en confinant les particules qui y déposent leur énergie ainsi que celles créées par les réactions de fusion nucléaire;- l'astrophysique et la planétologie de laboratoire, en générant des sources secondaires de particules énergétiques ou de rayonnement afin de porter la matière dense a de très hautes températures (matière tiède et dense), ou en magnétisant des plasmas pour reproduire des phénomènes astrophysiques à plus petite échelle au laboratoire;- et enfin le contrôle de faisceaux de particules chargées dans le vide pour le développement de sources laser dans le cadre d'applications s'effectuant à distance de la source notamment en science, dans l'industrie, ou même en médecine. / The problem of strong quasi-static magnetic field generation is a challenge in laser-plasma interaction physics. Proposed 30 years ago, the use of the laser-driven capacitor-coil scheme, which stands out for its compact design while not needing any additional pulsed power source besides the laser power, only recently demonstrated its potential.This thesis work aims at characterizing the underlying physics and at developing this scheme. We demonstrated the generation of strong quasi-static magnetic fields by laser (500 J, 1 ns-duration and ~10^17 W/cm^2 intensity) of several hundreds of Teslas and duration of 2-3 ns. The B-field space- and time-evolutions were characterized using three independent diagnostics: B-dot probes, Faraday rotation and proton-deflectometry). The characterization of the underlying physical processes involved also X-ray diagnostics of the laser-irradiated zone and optical shadowgraphy of the coil rod expansion.A novel application of externally applied magnetic fields to guide relativistic electron beam in dense matter has been carried out and the obtained results set the ground for improved high-energy-density transport in matter. Indeed, allowing sufficient time for the dense target magnetization, a factor 5 improvement of the electron energy-density flux at 50µm-depth was evidenced.Besides, the generation of high discharge currents consecutive to short laser pulse irradiation (50 J, <1 ps-duration and ~10^19 W/cm^2 intensity) was also pointed out. Proton imaging of the discharge permitted to measure the propagation of an electromagnetic wave at a velocity close to the speed of light. This wave, of ~40ps-duration, was used as an electromagnetic lens to focalize and energy-select a narrow energy range within a multi-MeV proton beam (up to 12 MeV) passing through the coil.All-above experimental measurements and application results were thoroughly compared to both computer simulations and analytic modeling.The applications of this thesis work in a near future will concern:- inertial confinement fusion, by guiding relativistic electron beams up to the dense core nuclear fuel, and by confining particles depositing their energy in it, or even those resulting from the fusion reactions;- laboratory planetology and astrophysics, by generating secondary sources of energetic particles and radiation to reach the warm-dense-matter state or by magnetizing plasmas to reproduce astrophysical phenomena in scaled experiments;- and finally, the control of charged particle beams in vacuum, useful in particular for the development of laser-driven sources for distant applications in science, industry or even medecine.

Le transport de l'énergie dans le cadre du schéma d'allumage rapide pour la Fusion par Confinement Inertiel (FCI) se fait au moyen d'électrons relativistes ou d'ions rapides. Le transport des particules et le processus de dépôt d'énergie induisent une physique complexe dont la description détaillée requiert des calculs cinétiques multidimensionnels précis. Exigeant en ressources informatiques, ces modules de transport cinétiques sont peut compatibles avec les soucis d'efficacité des utilisateurs de codes hydrodynamiques.Un des enjeux actuels consiste à développer méthodes efficaces qui rendent compte des principales caractéristiques du processus de transport cinétique et qui soient suffisamment rapides pour être couplées à un calcul intégré d'assemblage de combustible et de combustion. J'ai étudié dans ce travail deux modèles de transport de particules chargées, qui tendent à répondre à ces besoins. Le premier modèle (Trumpet) est une extension à deux dimensions d'un modèle simplifié considérant un angle de diffusion moyen. Le second modèle (M1) est une simplification des équations de Fokker Planck basée sur une fermeture angulaire respectant le principe de minimisation d'entropie.Ces deux modèles ont été implémentés et intégrés dans le code hydrodynamique du CELIA (CHIC). Après avoir étudié les avantages et les limites de ces modèles, je les ai appliqué au calcul de dépôt d'ions énergétiques dans une cible compressée. Nous avons modélisé un diagnostic d'imagerie protonique d'une expérience de compression d'un cylindre par laser et analysé l'allumage d'une cible par des ions de deutérium tritium et de carbone accélérés au moyen d'impulsions ultra intense. / The energy transport in the Fast Ignition scheme within the framework of Inertial Confinement Fusion (ICF) is done by means of energetic charged particles, relativistic electrons or fast ions. The particle transport and energy deposition process is rather complicated and its detailed description requires large scale kinetic multidimensional calculations. These codes are CPU time consuming and cannot be easily implemented in radiation hydrodynamic codes that describe the fuel assembly, resulting energy deposition and the combustion. Reduced methods are needed that account for the main features of the kinetic transport process and are sufficiently fast and efficient to be introduced directly in an hydrodynamic module. We have developed two reduced models of charged particles transport, suitable for integration in hydro-codes. The first model, called Trumpet, is a two-dimensional extension of a simplified 1D model for the average scattering angle. The second model called M1 is a simplification of the Fokker Planck equation, based one the angular closure respecting the minimum entropy principle. These two models have been integrated in the CELIA hydrodynamic code (CHIC). After considering the advantages and limitations of these models, we used them to calculate the ion energy deposition in a compressed target. We have modelled the protonic radiography of a cylindrical laser-driven impulsion, and analyse a new fast ignition scheme with fast deuterium tritium and carbon ions accelerated by laser.

Les travaux de cette thèse s’inscrivent dans le cadre de l’allumage rapide pour la fusion par confinement inertiel (FCI), pour la production d’énergie. Dans ce schéma les phases de compression et d’allumage sont découplées. Au cours de la seconde phase, le faisceau d’électrons doit parcourir une distance de 300 µm dans le combustible dense avantde déposer son énergie au coeur de la cible et d’initier les réactions de fusion. Le principal défaut de ce schéma réside dans la divergence du faisceau d’électrons au cours de son transport dans la matière dense. Parmi plusieurs schémas proposés pour réduire cette divergence, nous considérons ici, les schémas sans cône basés sur la collimation des électrons dans un champ magnétique. En particulier, A.P.L. Robinson et ses collaborateurs [Phys. Rev. Lett. 100, 025002, 2008] ont proposé une méthode simple à mettre en place pour contrôler la divergence du faisceau d’électrons :utiliser une séquence de deux impulsions laser. La première impulsion permet de créer un environnement magnétique favorable au confinement du faisceau d’électrons engendré par la seconde interaction. La validation de cette proposition est le sujet de cette thèse. Nous présenterons les résultats expérimentaux et les modélisations théoriques motivées par cette proposition. L’expérience du guidage d’un faisceau d’électrons avec deux impulsions laser a été réalisée sur l’installation laser petawatt Vulcan au Rutherford Appleton Laboratory (RAL) à Didcot en Angleterre. Elle est basée sur la proposition d’un groupe international dans le cadre du projet FCI HiPER. Cette expérience nous a permis d’obtenir les conditions de guidage en fonction du rapport des intensités et du délai entre les deux impulsions. Les résultats de l’expérience ont été modélisés par le code hydrodynamique CHIC couplé au module de transport de particules chargées M1. L’interprétation des résultats expérimentaux nous a permis d’expliquer la base de la physique du guidage du faisceau d'électrons et d'en définir les conditions magnétiques favorables. / The work presented in this thesis is realised in the framework of the fast ignition of inertial confinement fusion for energy production. In this scheme the compression and the ignition phases are decoupled. During the second phase, the electron beam must cross over 300 µm in the dense fuel to deposit its energy in the dense core and ignite the fusion reactions.The major problem of the scheme is related to the divergence of the electron beam while it crosses the dense matter. Among the different propositions to inhibit the electron divergence we consider here the schemes without cone that are based on the effect of magnetic collimation. In particular, A.P.L. Robinson and his co-authors [Phys. Rev. Lett. 100, 025002, 2008] suggested a simple way to control the electron beam divergence by using a sequence of two laser pulses. The first one creates a magnetic background favourable for the confinement of the second electron beam resulting from the second interaction. The validation of this scheme is the major goal of this thesis.We present the results of experimental sudies and numerical modeling of the electron beam guiding with help of two consequent laser pulses. The experiment was performed on the Vulcan facility at the Rutherford Appleton Laboratory at Didcot in UK, based on the proposal submitted by an international group of scientists in the framework of the European project for inertial fusion energy HiPER. This experiment allowed us to define a combination of laser and target parameters where the electron beam guiding takes place. The analysis of experimental data and numerical modelling is realised with the hydrodynamic code CHIC coupled to the charged particules transport module M1. The interpretation of the experimental results allowed us to explain the experimental data and the physical basis of guiding and to define the magnetic conditionflavourable to the electron beam guidance.

Cette thèse se place dans le contexte de la fusion thermonucléaire pour la production d’énergie, dans le cadre de l’allumage rapide par faisceaux d’électrons chauds. Le travail présenté a pour but de caractériser la source de faisceaux d’électrons rapides, accélérés par lasers intenses (1019≠1020 W/cm2), et leur propagation dans des plasmas denses aussi bien à l’état solide quecomprimé.La première étude présentée avait pour but d’étudier la propagation d’électrons rapides, caractérisés par une densité de courant > 1011 A/cm2, dans des cibles d’aluminium chauffées à la température de Fermi par un choc plan contra-propagatif, qui les comprimait à deux fois la densité du solide. La géométrie de compression plane nous a permis de dissocier les pertesd’énergie dues aux effets résistifs et collisionnels, en comparant des cibles solides et comprimées de masses surfaciques identiques. Nous avons observé pour la première fois une augmentation des pertes d’énergie d’origine résistive dans les échantillons chauffés. La confrontation des données expérimentales avec les simulations, incluant une caractérisation complète de la source électronique, de l’état de compression des cibles et du transport d’électrons, a permis d’étudier l’évolution temporelle de la résistivité du matériau. Elle a notamment permis d’estimer que le pouvoir d’arrêt résistif dans les cibles tièdes et denses est d’amplitude comparable au pouvoir d’arrêt collisionnel.Dans la deuxième étude, nous avons analysé l’accélération et le transport d’électrons rapides produits lors de l’interaction d’un laser à haut contraste avec un cône de cuivre, enchâssé dans un bloc de carbone, et comprimé par un choc plan contra-propagatif. Un système d’imagerie X a permis de visualiser le couplage entre le faisceau laser intense et le cône à différents instants de la compression. Ce diagnostic, donnant accès à la distribution spatiale du faisceau d’électrons chauds, a montré une génération d’électrons dans tout le volume du cône pour des temps supérieurs au temps de débouché de choc au niveau de la pointe. Pour des temps antérieurs, l’interaction se produit à haut contraste, la source est restreinte au niveau de la pointe du cône, et la propagation collimatée des électrons vers l’intérieur de la cible est assurée par les champs magnétiques auto-générés. Ces conclusions ont été obtenues en confrontant les données expérimentales aux simulations.Une caractérisation hydrodynamique de la compression par choc de la cible a été effectuée à l’aide d’une technique de radiographie X, permettant de visualiser la propagation du front de choc dans la cible, sa collision avec la pointe du cône et son glissement le long des parois. Les mesures sont en accord avec des simulations hydrodynamiques. / The framework of this PhD thesis is the inertial confinement fusion for energy production, in the context of the electron fast ignition scheme. The work consists in a characterization of the transport mechanisms of fast electrons, driven by intense laser pulses (1019 ≠ 1020 W/cm2) inboth cold-solid and warm-dense matter.The first goal was to study the propagation of a fast electron beam, characterized by a current density > 1011 A/cm2, in aluminum targets initially heated close to the Fermi temperature by a counter-propagative planar shock. The planar compression geometry allowed us to discriminate the energy losses due to the resistive mechanisms from collisional ones by comparing solid and compressed targets of the same initial areal densities. We observed for the first time a significant increase of resistive energy losses in heated aluminum samples. The confrontation of the experimental data with the simulations, including a complete characterization of the electron source, of the target compression and of the fast electron transport, allowed us to study the time-evolution of the material resistivity. The estimated resistive electron stopping power in a warm-compressed target is of the same order as the collisional one.We studied the transport of the fast electrons generated in the interaction of a high-contrast laser pulse with a hollow copper cone, buried into a carbon layer, compressed by a counterpropagative planar shock. A X-ray imaging system allowed us to visualize the coupling of thelaser pulse with the cone at different moments of the compression. This diagnostic, giving access to the fast electron spatial distribution, showed a fast electron generation in the entire volume of the cone for late times of compression, after shock breakout from the inner cone tip. For earlier times, the interaction at a high-contrast ensured that the source was contained within the cone tip, and the fast electron beam was collimated into the target depth by self-generated magnetic fields. These conclusions were obtained by a confrontation of experimental data to simulation results.The hydrodynamic characterization of the shock-induced target compression was performed using a X-ray point projection radiography technique, allowing to visualize a propagation of the shock front into the target, its collision with the cone tip and its subsequent sliding along the cone walls. The measurements are in agreement with hydrodynamic simulations.

Ce manuscrit présente trois expériences menées dans le cadre de la fusion nucléaire par confinement inertiel. La première expérience porte sur l'étude la propagation d'un faisceau d'électrons rapides dans un plasma pré-comprimé dans le cadre du schémas d'allumage rapide. Deux expériences sur la génération d'onde de choc dans des plasmas ont été menées dans le cadre du schéma d'allumage par choc. La première expérience a été consacre à l'étude le la propagation d'un faisceau d'électrons rapides dans une cible comprimée. L'implosion de la cible avec une géométrie cylindrique a été menée avec l'installation laser GEKKO XII (ILE Osaka, Japon). Le faisceau d'électrons rapides a été injecté en utilisant l'installation laser LFEX (_1019W/cm2). et sa propagation à travers le cylindre comprimé a été observée avec plusieurs diagnostics X. Cette expérience a démontré l'effet d'un guidage du faisceau d'électrons rapides résultant du champ magnétique auto-généré. Par ailleurs, les résultats de cette expérience ont été en bon accord avec deux des simulation numériques. Cette étude a fait l'objet de la publication Approach to the study of fast electron transport in cylindrically imploded targets, Laser and particle Beams, 33, 525-534, (2015). Deux autres expériences ont été réalisées pour l’étude de la propagation de chocs forts créés par laser dans un plasma. Celles-ci ont été réalisées avec différentes installations laser.Dans la première expérience avec le laser Gekko Xll, nous avons observé la création et la propagation de deux ondes de choc successives dans des plasmas d’ablation de CH et de Be. L’objectif de caractériser l’amplification d’un choc transmis par la collision des deux chocscontre propagatifs a été partiellement réalisé. La comparaison des résultats expérimentauxà des simulations hydrodynamiques a permis d’établir une amplification du choc d’unfacteur 2 en pression pour les conditions expérimentales réalisées. Les tirs sur une cible deBe a permis de développer et valider les outils d’exploitation de la propagation de deuxchocs par radiographie X. La deuxième expérience a été réalisée avec laser PHELIX de GSI(Darmstadt, Allemagne). Le but de cette expérience était d’étudier la génération de chocsforts qui ont été utilisés pour étudier l’équations d’état du carbone dans le domaine WDMpertinent pour le planétologie. Les conditions de pression et de densité pour le carboneont été obtenues en déduisant la pression et la vitesse de l’onde de choc des diagnosticschronométriques employés dans cette expérience. Des états du diamant en phase liquidemétallique pour des pressions de l’ordre de 7 Mbar et des températures de 15,000 degrésont été obtenus. / This manuscript presents three experiments conducted as part of a nuclear fusion byinertial confinement. The first experiment is the study of the fast electron beam propagationin a pre-compressed plasma in the fast ignition scheme. Two other experiments about theshock wave generation in plasmas were conducted in the ignition shock pattern.The first experiment was devoted to the study of the fast electron beam transport in a compressed target. The implosion of the target with a cylindrical geometry was carriedout with the GEKKO XII laser facility (ILE Osaka, Japan). The fast electron beam wasgenerated by the LFEX laser ( 1019W/cm2) and its propagation through the compressedcylinder was observed with several X-ray diagnostics. This experiment showed the guidingeffect of the electron beam resulting from self-generated magnetic fields. Furthermore, theresults of this experiment were in good agreement with numerical simulations. This studywas the subject of the publication Approach to the study of fast electron transport incylindrically imploded targets, Laser and Particle Beams, 33,525-534,(2015). Two other experiments were performed to study the propagation of strong shockscreated by lasers in a plasma. These were carried out with different laser systems. In the firstexperiment with the Gekko XII laser, we observed the creation and the propagation of twosuccessive shock waves in an ablation plasma in CH and Be. The objective to characterizethe amplification of a transmitted shock by the collision of two counter propagatingshocks has been partially realized. The comparison of the experimental results with thehydrodynamic simulations enabled us to confirm an amplification of the shock by a factor2 in pressure in the condition of this experiment. The shot with a Be target allowed todevelop and to validate the diagnostic method of X-ray radiography for shock propagation.The second experiment was performed with laser PHELIX GSI (Darmstadt, Germany).The purpose of this experiment was to study the generation of strong shocks. They wereapplied to study the equation of state of carbone in WDM state for the planetology. Thecondition of pressure and density for the carbon were obtained by deducting the pressureand the velocity of the shock wave chronometric diagnostics employed in this experiment.In this experiment, diamond was at the metallic liquid phase with the pressure of 7 Mbarand the temperature of 15,000 degrees

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Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la recherche sur la fusion nucléaire par confinement inertiel, et vise notamment à contribuer à la validation du schéma d'allumage rapide. Elle consiste en une étude expérimentale des différents processus impliqués dans la propagation d'un faisceau d'électrons relativistes, produit par une impulsion laser ultra-intense (10^{19} W.cm-2), au sein de la matière dense qu'elle soit solide ou comprimée. Dans ce travail de recherche nous présentons les résultats de trois expériences réalisées sur des installations laser distinctes afin de générer des faisceaux d'électrons dans diverses conditions et d'étudier leur propagation dans différents états de la matière, du solide froid au plasma dense et tiède.La première expérience a été réalisée à très haut contraste temporel sur l'installation laser UHI100 du CEA de Saclay. L'étude du dépôt d'énergie par le faisceau d'électrons dans l'aluminium solide a mis en évidence un important chauffage à faible profondeur, où les effets collectifs sont prédominants, générant ainsi un gradient important de température entre les faces avant (300eV) et arrière (20eV) sur 20µm d'épaisseur. Une modélisation numérique de l'expérience montre que ce gradient induit la formation d'une onde de choc débouchant en face arrière, donnant alors lieu à une augmentation de l'émission thermique. La chronométrie expérimentale du débouché du choc permet de valider le modèle de transport collectif des électrons.Deux autres expériences ont porté sur l'étude de la propagation de faisceaux d'électrons rapides au sein de cibles comprimées. Lors de la première expérience sur LULI2000 (LULI), la géométrie de compression plane a permis de dissocier de manière précise les pertes d'énergie liées aux effets résistifs de celles liées aux effets collisionnels. En comparant nos résultats expérimentaux à des simulations, nous avons mis en évidence l'augmentation significative des pertes d'énergie du faisceau d'électrons avec la compression et le chauffage de la cible à des température proches de la température de Fermi, et ce, pour les deux mécanismes. La seconde expérience, réalisée en géométrie cylindrique sur Vulcan (RAL), a permis de mettre en évidence un phénomène de guidage du faisceau d'électrons rapides sous l'effet d'un intense champ magnétique, auto-généré en présence d'importants gradients radiaux de résistivité. Par ailleurs, dans les conditions de température et de densité atteintes, l'augmentation des pertes d'énergie collisionnelles avec la densité s'avère être compensée par une diminution des pertes résistives du fait du passage de la conductivité du milieu dans le régime des hautes températures de Spitzer. / The framework of this PhD thesis is the validation of the fast ignition scheme for the nuclear fusion by inertial confinement. It consists in the experimental study of the various processes involved in fast electron beams propagation, produced by intense laser pulses (10^{19} W.cm-2), through dense matter either solid or compressed. In this work we present the results of three experiments carried out on different laser facilities in order to generate fast electron beams in various conditions and study their propagation in different states of matter, from the cold solid to the warm and dense plasma.The first experiment was performed with a high intensity contrast on the UHI100 laser facility (CEA Saclay). The study of fast electron energy deposition inside thin aluminium targets highlights a strong target heating at shallow depths, where the collectivs effects are predominant, thus producing a steep temperature profile between front (300eV) and rear (20eV) sides over 20µm thickness. A numerical simulation of the experiment shows that this temperature gradient induces the formation of a shock wave, breaking through the rear side of the target and thus leading to increase the thermal emission. The experimental chronometry of the shock breakthrough allowed validating the model of the collective transport of electrons.Two other experiments were dedicated to the study of fast electron beam propagation inside compressed targets. In the first experiment on the LULI2000 laser facility, the plane compression geometry allowed to precisely dissociate the energy losses due to resistive effects from those due to the collisional ones. By comparing our experimental results with simulations, we observed a significative increase of the fast electron beam energy losses with the compression and the target heating to temperatures close to the Fermi temperature. The second experiment, performed in a cylindrical geometry, demonstrated a fast electron beam guiding phenomenon due to self-generated magnetic fields in presence of sharp radial resistivity gradients. Furthermore, in the temperature and density conditions achieved here, the increase of collisional energy losses with density is compensated by the decreasing resistive energy losses due to the transition of the conductivity into the high-temperatures Spitzer regime.