Many astrophysical plasmas and some laboratory plasmas are relativistic: either the thermal speed or the local bulk flow in some frame approaches the speed of light. Often, such plasmas are magnetized in the sense that the Larmor radius is smaller than any gradient scale length of interest. Conventionally, relativistic MHD is employed to treat relativistic, magnetized plasmas; however, MHD requires the collision time to be shorter than any other time scale in the system. Thus, MHD employs the thermodynamic equilibrium form of the stress tensor, neglecting pressure anisotropy and heat flow parallel to the magnetic field. We re-examine the closure question and find a more complete theory, which yields a more physical and self-consistent closure. Beginning with exact moments of the kinetic equation, we derive a closed set of Lorentz-covariant fluid equations for a magnetized plasma allowing for pressure and heat flow anisotropy. Basic predictions of the model, including its thermodynamics and the dispersion relation's dependence upon relativistic temperature, are examined. Further, the model is applied to two extant astrophysical problems. / text

<p>Thin films of metals and compounds have a very wide range of applications today. Many of the deposition methods used for the production of such films utilize plasma to support the growth the film, e.g. by the supply of energy and the enhancement of reactivity. This thesis focuses on the physical vapor deposition (PVD) of thin films by high density plasma sources based on hollow cathodes and aims to increase the understanding of the deposition process and its influence on the film properties.</p><p>Titanium nitride films reactively deposited by the low-pressure hybrid plasma (HYP LP) source exhibited excellent properties and was deposited at considerable higher rates than films deposited by conventional methods.</p><p>An original finding in this work is the influence of substrate material on the deposition process and consequently on the properties of the deposited film. In the deposition of TiN films by the HYP LP source it was found that the substrate temperature was higher for Si substrates than for steel substrates due to a more efficient absorption of microwave power in Si than in steel. Further, it was found that ferromagnetic substrates influence the film growth in magnetized plasma systems. An effect of the ferromagnetic substrates is the enhancement of ion bombardment that increases the growth temperature and affects the texture and morphology of the growing films. It was also found that a DC bias can change the TiN film properties considerably and compensate the effect of ferromagnetic substrates.</p><p>High rate depositions of chromium and chromium nitride films by the RF hollow cathode plasma jet (RHCPJ) source were studied. The performance of the reactive diffuse arc process and the CrN film properties indicates that the process can be transferred from small cylindrical cathodes to linear magnetized hollow cathodes which allow deposition on considerable larger areas and this is important for industrial applications.</p>

Thin films of metals and compounds have a very wide range of applications today. Many of the deposition methods used for the production of such films utilize plasma to support the growth the film, e.g. by the supply of energy and the enhancement of reactivity. This thesis focuses on the physical vapor deposition (PVD) of thin films by high density plasma sources based on hollow cathodes and aims to increase the understanding of the deposition process and its influence on the film properties. Titanium nitride films reactively deposited by the low-pressure hybrid plasma (HYP LP) source exhibited excellent properties and was deposited at considerable higher rates than films deposited by conventional methods. An original finding in this work is the influence of substrate material on the deposition process and consequently on the properties of the deposited film. In the deposition of TiN films by the HYP LP source it was found that the substrate temperature was higher for Si substrates than for steel substrates due to a more efficient absorption of microwave power in Si than in steel. Further, it was found that ferromagnetic substrates influence the film growth in magnetized plasma systems. An effect of the ferromagnetic substrates is the enhancement of ion bombardment that increases the growth temperature and affects the texture and morphology of the growing films. It was also found that a DC bias can change the TiN film properties considerably and compensate the effect of ferromagnetic substrates. High rate depositions of chromium and chromium nitride films by the RF hollow cathode plasma jet (RHCPJ) source were studied. The performance of the reactive diffuse arc process and the CrN film properties indicates that the process can be transferred from small cylindrical cathodes to linear magnetized hollow cathodes which allow deposition on considerable larger areas and this is important for industrial applications.

A code that solves the coupled electron drift kinetic and temperature equations has been written to study the effects of collisionality and particle trapping on temperature equilibration along magnetic field lines. A Chapman-Enskog-like approach is adopted with the time-dependent distribution function written as the sum of a dynamic Maxwellian and a kinetic distortion expanded in Legendre polynomials. The drift kinetic equation is solved on a discrete grid in normalized speed, and an FFT algorithm is used to treat the onedimensional spatial domain along the magnetic field. The dependence of the steady-state temperature on collisionality and magnetic well depths is discussed in detail. As collisionality decreases (increasing background temperature), temperature variations decrease. As magnetic well depth increases (at fixed collisionality), temperature variations along the field line increase.

Dans les sources d'ions de type EHIS " End-Hall Ion Source " un faisceau ionique est extrait d'un plasma magnétisé sans l'utilisation d'un système de grilles d'extraction. Les sources EHIS sont essentiellement utilisées dans des procédés de traitement de surface. Dans ce type de sources, le plasma est généré par l'application d'une tension entre les électrodes afin de créer une décharge DC. La présence, dans le plasma, d'un champ magnétique parallèle à une anode conique réduit la mobilité électronique dans la direction perpendiculaire aux lignes de champ magnétique. La chute de conductivité électronique dû au champ magnétique près de l'anode entraîne l'établissement d'un champ électrique dans cette région pour assurer le transport du courant électronique vers l'anode. Les ions créés par impact électron-atome sont expulsés de la source par le champ électrique proche de l'anode et forment un faisceau ionique. Ces sources ont été optimisées de façon très empirique et leur fonctionnement est loin d'être totalement compris. Dans le but de mieux comprendre le mécanisme de fonctionnement des sources EHIS, nous avons développé un modèle auto-cohérent axisymétrique. Dans ce modèle les espèces lourdes (Ar et Ar+) sont décrites de façon particulaire. Le transport électronique est traité de façon fluide par résolution des trois premiers moments de l'équation de Boltzmann en supposant l'équilibre de Boltzmann le long des lignes de champ magnétique et la quasi-neutralité du plasma. Le champ électrique est déduit d'une équation de conservation du courant. Ce model a permis de clarifier plusieurs aspects du fonctionnement des " End-Hall Ion Sources ".

Ultracold neutral plasmas provide a platform for studying transport properties in an idealized environment. In this dissertation, transport properties in a Ca$^+$/Yb$^+$ dual species ultracold neutral plasma and a Ca$^+$ magnetized ultracold neutral plasma are studied. In dual species plasmas, we study ion-ion temperature relaxation. We compare measured relaxation rates with atomistic simulations and a range of popular theories. Our work validates the assumptions and capabilities of molecular dynamic simulations and invalidates theoretical models in this regime. This work illustrates an approach for precision determinations of detailed material properties in Coulomb mixtures across a wide range of conditions. We also study plasma expansion in single species plasma in the presence of a strong uniform magnetic field. We find that the asymptotic expansion velocity falls exponentially with magnetic field strength, which disagrees with a previously published ambipolar diffusion model. In the parallel direction, plasma expansion is driven by electron pressure. However, in the perpendicular direction, no plasma expansion is observed at large magnetic field strengths.

Le travail effectué dans le cadre de cette thèse porte sur l’étude des plasmas magnétisés et nonmagnétisés produits par des structures coaxiales qui font office à la fois de propagateur d’onde et de coupleur à impédance adaptée au plasma, mais aussi de sonde d’investigation et de caractérisation de la décharge. Une attention particulière est accordée à l’efficacité de couplage entre l’onde électromagnétique et la décharge et de production d’espèces, et ce pour différentes conditions opératoires : fréquence d’excitation (352 et 2450 MHz),configuration magnétique, géométrie de l’applicateur. L’analyse quantitative et comparative présentée dans ce travail s’appuie aussi bien sur une approche expérimentale que théorique. Les modèles analytiques développés etla simulation électromagnétique réalisée permettent d’extraire à partir des mesures expérimentales, d’une partl ’impédance du plasma décorrélée de celle de la structure de propagation de l’onde, et d’autre part, l’absorption globale et locale de l’onde. Du point de vue expérimental, des techniques et méthodes appropriées ont donc été développées et mises en oeuvre comme, par exemple la méthode de changement de plan d’impédance, ou encore l’auto-interférométrie. L’étude paramétrique, menée sur un domaine de pression étendu sur plusieurs décades(10-4 – 10 Torr) et pour une gamme de puissances allant de un à plusieurs centaines de watts, a permis une investigation minutieuse du type de couplage (capacitif, inductif, résistif) qui est fortement dépendant des caractéristiques de la décharge et donc des paramètres opératoires. Leur mise en corrélation, associée à l’analyse des modes de propagation dans un plasma magnétisé, a permis de localiser avec plus de précision les zones de couplage et d’identifier les principaux mécanismes d’absorption de l’onde mis en jeu. Les principaux résultats obtenus confirment une meilleure efficacité de production d’espèces chargées à une fréquence plus élevée (2450MHz), et la présence d’une population d’électrons chauds plus conséquente ainsi qu’une extension spatiale du plasma lorsque la fréquence est plus faible (352 MHz). Comme la technologie 352 MHz à état solide est plus avantageuse du point de vue du coût des composants, comparée à 2450 MHz, elle pourrait s’avérer intéressante pour des procédés visant la production d’espèces chimiquement actives. Toutefois, le couplage, peu efficace, de type capacitif induit par la diminution de la fréquence, requiert une attention accrue au niveau de la configuration du coupleur. Pour le développement en amont des coupleurs, les résultats issus de ce travail de thèse et les modèles analytiques développés devraient constituer un outil déterminant dans la conception de sources plasma micro-onde performantes. / The work done within the framework of this thesis focuses on the study of magnetized and nonmagnetizedplasmas produced by coaxial structures that serve both as wave propagator and as plasma matchedimpedance coupler but also as investigation and characterization probe of the discharge. Special attention isgiven to the efficiency of coupling between the electromagnetic wave and the discharge and of speciesproduction, for different operating conditions: excitation frequency (352 and 2450 MHz), magnetic configurationand geometry of the applicator. Quantitative and comparative analysis presented in this work is based both on anexperimental and a theoretical approach. Developed analytical models and conducted electromagnetic simulationare set in connection with the experimental measurements in order to determine, on the one hand, the plasmaimpedance de-embedded of the wave propagation structure and, on the other hand, the global and localabsorption of the wave. From the experimental point of view, appropriate techniques and methods have thereforebeen developed and implemented such as, for example, the impedance plane shift method, or autointerferometry.The parametric study, conducted on a pressure range extended over several decades (10-4 - 10Torr) and power ratings from one to several hundred watts, led to a thorough investigation of the coupling type(capacitive, inductive, resistive ) which is highly dependent on the discharge characteristics and thus of theoperating parameters. Their correlation, combined with the analysis of propagation modes in a magnetizedplasma, has helped locate more accurately the areas of coupling and to identify the main power absorptionmechanisms involved. The main results obtained for the two frequencies confirm a better production efficiencyof charged species at a higher frequency (2450 MHz), the presence of a more substantial hot electron populationand a spatial expansion of the plasma when the frequency is low (352 MHz). As the solid state 352 MHztechnology is more advantageous compared to that at 2450 MHz from the viewpoint of the cost of thecomponents, it could be interesting for processes aiming to produce active chemical species. However itsinefficient coupling, of capacitive type induced by frequency reduction, requires an increased attention at thelevel of coupler configuration. For upstream development of couplers, the analytical models and theexperimental results obtained in this thesis should be a key tool in the design of high-performance microwaveplasma sources.

Dans l'optique de produire de l'énergie à travers les réactions de fusion, nous sommes amenés à étudier des phénomènes physiques qui ont lieux dans les tokamaks. Les instabilités qui existent dans les tokamaks peuvent fortement dégrader le confinement et ont un impacte sur le fonctionnement de futurs réactions à fusion. Des mesures révèlent un fort transport radial. Même si ce transport radial est en partie est une conséquence des collisions, l'instabilité d'interchange est la source dominante à ce transport puisque le type de plasmas nous intéressant sont faiblement collisionnels. Dans la limite non collisionnelle, la description hamiltonienne permet de décrire le système dynamique des particules du plasmas dans un champ électromagnétique. Nous donnons de l'importance à cette description afin de pouvoir accéder aux outils hamiltoniens.Nous travaillons sur la modélisation et le contrôle hamiltonien du transport radial. Après avoir écrit le modèle hamiltonien des particules d'un plasma magnétisé, nous introduisons les réductions de ce modèle lagrangien en modèles eulériens réduits afin de s'adapter à certains calculs numériques et théoriques. Ces réductions donnent lieux aux équations fluides hamiltonien. Cependant, nous montrons que ces réductions peuvent faire perdre la propriété hamiltonienne. En particulier pour obtenir un modèle ayant la température des ions (puisqu'elle n'est pas négligeable au centre du plasma), nous montrons la procédure conservant la propriété hamiltonienne à partir du modèle sans température des ions.Quant à l'étude du transport radial, nous appliquons une des propriétés hamiltoniennes (le contrôle) afin de créer une barrière de transport par des perturbations du système. Nous étudions de manière idéale l'effet du contrôle à travers la dynamique lagrangienne des traceurs appelés particules test. Nous faisons particulièrement des efforts dans la prise en compte des contraintes numériques et expérimentales. Nous montrons notamment la robustesse du contrôle lors de l'application des perturbations par des sondes de Langmuir.Finalement, nous étudions l'application du contrôle dans un modèle eulérien décrivant la rétroaction du plasmas (à travers la densité et le potentiel électrique) lorsque nous appliquons les perturbations. Cette étape permet de prendre en compte le couplage du système plasma-perturbations. En utilisant un code fluide permettant de décrire le plasma de bord lors de perturbations générées par des sondes de Langmuir. Nous développons un algorithme permettant de calculer le contrôle en tout temps en fonction du potentiel électrique. Nous montrons alors que la valeur moyenne du potentiel électrique joue un rôle important pour l'application du contrôle dans un modèle fluide. / In order to produce energy through fusion reactions, we are led to study of physical phenomena that occur in tokamaks. The instabilities that exist in tokamaks can significantly degrade the confinement and have an impact on the operation of future fusion reactors. Measurements reveal a strong radial transport. Although this is partly a consequence of collisions, the interchange instability is the dominant source to transport since the type of plasmas that interest us are weakly collisional. Within non collisional limit, the Hamiltonian description used to describe the dynamical system of charged particles in an electromagnetic field. We give importance to this description in order to access the Hamiltonian tools.We are working on modeling and control Hamiltonian of radial transport. After writing the Hamiltonian model of particles in a magnetized plasma, we introduced some reductions from Lagrangian models to Eulerian reduced models in order to accommodate some theoretical and numerical calculations. These places give the Hamiltonian fluid equations. However, we show that these reductions may lose the Hamiltonian property. In particular for a model with the ion temperature (not neglected at the center of the plasma), we show the procedure preserving the Hamiltonian property from the model without ion temperature.As for the study of radial transport, we apply one of the Hamiltonian properties (the control) to create a transport barrier by perturbations of the system. We are looking ideally the effect of control through the Lagrangian dynamics of tracers called test particles. We make particular efforts in the consideration of numerical and experimental constraints. We show the robustness of control when applying perturbations by Langmuir probes.Finally, we study the application of control in an Eulerian model describing the feedback of plasma (through the density and the electric potential) when we apply the perturbations. This step allows to take into account the coupling of the system plasma-perturbations. We use a numerical code to describe the plasma at the edge during perturbations generated by Langmuir probes. We develop an algorithm to calculate the control at all times depending on the electric potential. Finally we show that the average value of electric potential plays an important role in the implementation of control in a fluid model.

Es wurden die Transportphänomene magnetisierter Plasmen in der Umgebung materieller Limiter am linearen Plasmagenerator PSI-2 unter Verwendung von elektrischen und optischen Diagnostiken untersucht. Der Senkrechtdiffusionskoeffizient wurde mit D= 5 m^2/s und einer 1/B-Abhängigkeit bestimmt. Der dominierende Prozess des Radialtransportes ist turbulenter Natur. Unter Berücksichtigung der Volumenionisation kann das radiale Dichteprofil konsistent beschrieben werden. Der Schaft einer Langmuirsonde reduziert in einem magnetisierten Plasma die Elektronendichte. Dieses wurde mit zwei Sonden untersucht. Es wird eine globale Teilchenbilanz vorgestellt, die diese Reduktion beschreibt. Bringt man einen Limiter in ein strömendes magnetisiertes Plasma ein, so bildet sich hinter diesem ein Schatten aus. Vor dem Limiter zeigt sich für einige Plasmaregime ein inverser Schatten. Beide sind durch die starke Abhängigkeit der Emissivität von der Elektronentemperatur zu erklären. Ortsaufgelöste Messungen mit Langmuirsonden und optischer Spektroskopie bestätigen dieses experimentell und zeigen kurze Skalenlängen der Dichte für den Abfall vor und den Anstieg hinter einem Limiter. Die Längen zeigen keine klare Skalierung mit dem Ionengyrationsradius. Es werden ortsaufgelöste Messungen der Plasmaparameter mit einer Langmuirsonde vor einem Limiter unter schrägem Einfall vorgestellt. In Wasserstoffplasmen lässt sich der Dichteverlauf mit dem Modell von Chodura [Cho:82] gut beschreiben. In einer stationären Bogenentladung sind Fluktuationen in der Entladungsspannung zu finden. Diese Fluktuationen erzeugen suprathermische Elektronen, die von Limitern geblockt werden. Durch das Einbringen von Limitern werden turbulente räumliche Strukturen erzeugt, die in das Schattengebiet eindringen. Diese sind sowohl optisch mit Photomultipliern als auch als Fluktuation des Ionensättigungsstromes einer Langmuirsonde nachweisbar. Die Strukturen können den Quertransport in den Plasmaschatten verstärken. / The transport phenomena of magnetized plasmas in the vicinity of a material limiter have been investigated. The investigations were carried out at the linear plasma generator PSI-2 with electrical and optical diagnostics. The perpendicular diffusion coefficient was determined as D= 5 m^2/s with a magnetic field dependence of 1/B. The dominant process of the radial transport is therefore anomalous. By consideration of volume ionization the radial density profile can be consistently described. The shaft of a Langmuir probe acts as a particle sink and reduces electron density. This was investigated using two probes. The reduction can be explained in terms of a global particle model. On immersing a limiter into a streaming, magnetized plasma a distinct shadow region is observed downstream of the target. In addition, for some plasma conditions the region upstream of the target forms an inverse shadow. Both observations can be explained by the strong dependence of the emissivity on electron temperature. This is confirmed experimentally by Langmuir probes and optical spectroscopy. Spatially resolved measurements reveal short scale lengths for a decrease of density in front of and an increase behind a limiter. These lengths do not clearly scale with the ion gyroradius. Spatially resolved Langmuir probe measurements taken in front of a limiter at oblique incidence are presented. For hydrogen plasmas the model of Chodura [Cho:82] describes the density profile quite well. In a stationary arc discharge fluctuations in the discharge voltage are found. The fluctuations produce suprathermal electrons. These electrons are blocked by limiters. A limited plasma produces turbulent spatial structures which penetrate into the shadow region. These structures can be detected with photomultipliers and also as a fluctuation in the ion saturation current of a Langmuir probe. They can enhance perpendicular transport into the plasma shadow.

In a fusion plasma, the ions have to be heated to reach fusion relevant temperatures. One possibility is to launch an electromagnetic wave in the radio frequency band into the plasma. This wave can resonate with the ions at their cyclotron frequency and hence, the method is called ion cyclotron resonance heating. If the Larmor radius is of similar length scales as the wavelength, finite Larmor radius (FLR) effects are important. This introduces additional possible wave modes. To accurately predict the heating, simulations of these additional modes can be important. In order to describe the FLR effects in simulations, this work applies a Taylor expansion to second order in the perpendicular wavenumber of the dielectric tensor. In real space, the Taylor expansion corresponds to a series of spatial derivatives. These derivatives are implemented as weak-form contributions for a onedimensional finite element method (FEM)simulation. The approach is realized in a fork of the FEMIC code, coupling plasma physics in MATLAB with the FEM solver in COMSOL. The discretization of the FEM solver is adapted using a Helmholtz filter to provide the required degree of smoothness. Our approach proves successful to simulate FLR effects within the limitations caused by the modeling choices. We compare results with an all-order FLR method, showing good qualitative agreement. This work serves as a proof of concept to describe challenges on the way towards incorporation of second order FLR effects in twodimensional simulations in FEMIC. / I ett fusionsplasma måste jonerna värmas för att plasmat ska nå temperaturer relevanta för fusion. En möjlighet är att sända in en elektromagnetisk våg i radiofrekvensbandet i plasmat. Den vågen kan sedan resonera med jonerna vid deras cyklotronfrekvens, och därför kallas metoden för joncyklotronresonansuppvärmning. Om våglängden är jämförbar med Larmorradien blir ändliga Larmorradie-effekter viktiga. Detta möjliggör ytterligare typer av vågor. Det kan vara viktigt att simulera dessa typer av vågor för att förutsäga uppvärmningen på ett träffsäkert vis. I denna masteruppsats Taylorutvecklar vi den dielektriska tensorn till andra ordningen i det vinkelräta vågtalet för att beskriva hur FLR-effekter påverkar simuleringarna. I det reella rummet motsvarar Taylorutvecklingen en serie av rumsliga derivator. Dessa derivator implementeras sedan som bidrag på svag form i en endimensionell modell som löses med den finita elementmetoden (FEM). Metoden implementeras i FEMIC-koden, som kopplar plasmafysik i MATLAB med FEM-lösaren i COMSOL. Diskretiseringen av FEM anpassas med ett Helmholtzfilter för att få en tillräckligt slät funktion. Ansatsen visar sig kunna framgångrikt simulera FLR-effekter, med vissa förväntade begränsningar. Lösningen jämförs sedan med lösningen från en metod som tar hänsyn till FLR-effekter, men som inte är baserad på en serieuteckling. Vi finner god kvalitativ överensstämmelse. Detta arbete fungerar som en prototyp och ämnar att beskriva de utmaningar som kan uppstå vid implementation av FLR-effekter den tvådimensionella axisymmetriska versionen av FEMIC.