In this thesis, theoretical investigation of nickel-like tin plasma is presented. X-ray production in a plasma medium produced by a laser beam is reviewed. Applications mostly, lithography are discussed. Two different schemes for x-ray lasing, namely, quasi-steady state and transient collisional excitation are explained and compared. The computer codes that are used for plasma, especially for laser produced plasma and x-ray laser including hydrodynamic codes, ray-trace codes and collisional radiative codes are discussed. The code used in this work, EHYBRID, is considered in more detail. An experimental setup which can allow x-ray lasing is designed for different plasma and laser parameters are analyzed by means of EHYBRID code. Results are briefly discussed and as a future work the realization of the related experiment is mentioned.

Ce manuscrit présente une nouvelle formulation de l’Interaction Laser-Plasma (ILP) à l’échelle hydrodynamique, qui couple la dynamique du plasma avec les processus d’ILP linéaires et non-linéaires. Le modèle standard du tracé de rayon (Ray-Tracing), basé sur l’Optique Géométrique, est peu adapté pour modéliser l’ILP non-linéaire car la distribution de l’intensité laser dans le plasma n’est pas directement disponible. Nous proposons un modèle alternatif spécifiquement formulé pour un code hydrodynamique Lagrangien, basé sur l’Optique Géométrique Complexe Paraxiale qui décrit la propagation de faisceaux Gaussiens. Cette méthode est ensuite adaptée à la description de faisceaux laser non Gaussiens, et permet de reproduire la statistique d’intensité, l’enveloppe et le contraste de faisceaux lissés par une Lame de Phase. Nous proposons des modèles en ligne pour décrire l’échange d’énergie entre faisceaux croisés (CBET) et la génération d’électrons rapides par l’ILP non-linéaire, en utilisant PCGO. Le modèle en ligne de CBET est validé par comparaison avec un code de propagation d’une onde électromagnétique paraxial conventionnel dans le cas d’un plasma inhomogène en vitesse. Un bon accord est trouvé après une période transitoire de l’ordre de la picoseconde, notamment en ce qui concerne la distribution spatiale de l’intensité laser et des perturbations de densité du plasma. Ce modèle appliqué à une configuration d’attaque directe de Fusion par Confinement Inertiel (FCI) montre que le CBET réduit le couplage laser-cible, réduit le facteur de convergence, et amplifie les modes basse fréquence de déformation de la capsule. Le modèle de génération d’électrons rapides par l’ILP non-linéaire modélise les propriétés des faisceaux d’électrons rapides, i.e. leur flux, énergie moyenne, dispersions angulaire et direction, à partir de l’intensité laser prédite par PCGO et à partir d’expressions simplifiées, basées sur des modèles théoriques et des lois d’échelles obtenues à l’aide de simulations cinétiques. La propagation et le dépôt d’énergie par les électrons rapides est décrite à partir d’une approximation de diffusion angulaire adaptée en deux dimensions, pour des faisceaux de profil transverse d’intensité Gaussien, de distribution d’énergie exponentielle et d’ouverture angulaire arbitraire. Ce modèle couplé rend compte de (i) la compétition pour l’énergie laser entre les différentes instabilités et avec l’absorption collisionnelle, (ii) le couplage entre l’ILP non-linéaire et la dynamique du plasma à travers les faisceaux d’électrons rapides, et(iii) la perte de couplage laser-plasma due à la diffusion Raman arrière. Les performances de ce modèle sont évaluées par comparaisons avec des expériences d’allumage par choc conduites sur les installations laser Omega et Pals. Ce modèle multi-échelle est ensuite utilisé pour interpréter plusieurs expériences. On trouve notamment que les électrons générés par l’ILP non-linéaire augmentent la vitesse du choc et la pression en aval de ce dernier, tout en réduisant sa force et la pression d’ablation. Une application à la phase fortement non-linéaire de l’allumage par choc en FCI suggère que ces électrons sont néfastes pour l’implosion de la capsule en ce qui concerne les cibles conventionnelles : ceux-ci causent une augmentation de la masse du point chaud et des pertes radiatives. Ce modèle peut être appliqué à la modélisation hydrodynamique des expériences laser-cible de physique des hautes densités d’énergie pour les régimes d’interaction pertinents pour les instabilités évoquées ci dessus. / This manuscript presents a novel formulation of the Laser-Plasma Interaction (LPI) at hydrodynamical scales, that couples the plasma dynamics with linear and nonlinear LPI processes. The standard Ray Tracing model, based on Geometrical Optics, is not well suited for that purpose because it does not readily describe the laser intensity distribution in plasma. We propose an alternative model formulated for a Lagrangian hydrodynamic code. It is based on the ray-based Paraxial Complex Geometrical Optics (PCGO) that describes Gaussian optical beamlets. A method for modeling non-Gaussian laser beams smoothed by Phase Plates is presented, that allows to create intensity variations that reproduce the beam envelope, contrast and high-intensity statistics predicted by paraxial laser propagation codes. We propose inline reduced models for the non-linear laser-plasma interaction, in the case of the Cross-Beam Energy Transfer (CBET) and the generation of Hot Electrons (HE). The inline CBET model is validated against a time-dependent conventional paraxial electromagnetic wave propagation code, in a well-defined plasma configuration with density and velocity profiles corresponding to an inhomogeneous plasma. Good agreement is found past a transient period on the picosecond time scale, notably for the spatial distribution of density perturbations and laser intensities in the interaction region. Application of the model to a direct-drive Inertial Confinement Fusion (ICF) configuration shows that CBET significantly degrades the irradiation symmetry by amplifying low frequency modes and reducing the laser-capsule coupling efficiency, ultimately leading to large modulations of the shell areal density and lower convergence ratios. The LPI/HE model predicts the HE fluxes, temperatures, angular dispersion and direction from the laser intensity of PCGO beamlets from simplified expressions based on theoretical models and scaling laws obtained in kinetic simulations. The HE beams propagation and energy deposition in plasma is described in the angular scattering approximation, adapted to two-dimensional, transversally Gaussian, multigroup HE beams of arbitrary angular distribution. This model accounts for (i) competition for the laser energy between the various instabilities and with the linear collisional absorption, (ii) coupling between nonlinear LPIs and plasma dynamics via the high energy electron beams and(iii) loss of coupling due to backscattered Raman light. Its performance is confirmed by comparison with measurements of shock timing, laser absorption, HE fluxes and temperatures in experiments conducted on Omega and Pals laser facilities. This multiscale inline LPI-HE model is used to interpret several Shock Ignition experiments. It is found that HEs from parametric instabilities significantly increase the shock pressure and velocity in the target, while decreasing its strength and the overall ablation pressure. Applications to the high-intensity regime of shock ignition ICF suggest that HEs generated by the nonlinear LPI are nefarious to the capsule implosion in conventional target designs, as they lead to a dramatic increase in the hotspot mass and losses by Bremsstrahlung radiation. This model is readily applicable to hydrodynamic description of laser-target experiments of High Energy Density Physics, in the interaction regimes involving the above-mentioned non-linear LPI processes.

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

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.