L'interaction onde-particule dans les plasma est un sujet de recherche important, pour la compréhension des phénomènes physiques fondamentaux comme pour l'opération de réacteurs à fusion tels que les tokamaks. Cette intéraction peut être responsable de l'existence de modes instables, comme l'instabilité "fishbone" dans les plasmas de tokamak. Celle-ci est causée par l'interaction résonante entre un mode vivant dans la plasma et une population de particules supra-thermiques. Cette instabilité cause l'éjection d'une partie de ces particules énergétiques. Elle est par ailleurs caractérisée par une diminution de sa fréquence durant son évolution. Dans cette thèse, un modèle pour l'instabilité "fishbone", décrivant le plasma thérmique avec un traitement fluide et les particlules énergétiques avec un traitement cinétique, est développé. Ce modèle est simplifié de manière à permettre la compréhension des mécanismes les plus basiques qui causent la destabilisation du mode, sa diminution en fréquence durant son évolution ainsi que l'éjection de particules qu'il engendre. La théorie linéaire de ce modèle est faite, montrant les conditions qui permettent l'existence de l'instabilité, et permettant la caractérisation de son comportement linéaire. Les résultats analytiques sont ensuite comparés aux résultats linéaires numériques, obtenus grâce à un code développé durant cette thèse et basé sur les hypothèses du modèle, et ils sont en accord. Enfin, ce code est utilisé pour explorer le comportement non linéaire des particules énergétiques. Le mécanisme principalement responsable du changement de fréquence du mode ainsi que de l'éjection des particules est identifié et étudié en detail. / The wave-particle interaction in plasmas is an important research subject, for fundamental physical understanding as well as for the operation of fusion devices such as tokamaks. This interaction can cause the existence of unstable modes, such as the fishbone instability that is observed in tokamak plasmas. It results from the resonant interaction between an electro-magnetic wave living in the plasma and a population of supra-thermal particles. This mode causes the ejection of a portion of these energetic particles, and is thus detrimental to the confinment of energy in a tokamak, and it is characterized by a frequency down-chirping, i.e. a decrease of frequency of the mode during its evolution. In this thesis, a model for the fishbone instability is developed, that describes the thermal plasma with fluid equations and the supra-thermal particles with the kinetic Vlasov equation. This model is highly simplified in order to understand the basic mechanisms leading to destabilization, frequency chirping, and particle ejection. The linear theory of this model is then done, showing the conditions that lead to the existence of an instability, and that allow the characterization of its linear behavior. The linear analytic results are then compared to numerical linear results obtained with a code, based on the assumptions of the model, that was developed during this PhD and the results are found to be in good agreement. Finally, the code is used to explore the nonlinear behavior of energetic particles in the later phase of the fishbone instability. The main mechanism responsible for the frequency chirping and energetic particle ejection is identified and studied in detail.

L’objectif de cette thèse consiste en une étude fondamentale de différentes approches pour la modification de surfaces d’alliages d’aluminium. Elle s’inscrit dans le cadre du projet FLYCOAT, subventionné par la région Wallonne. Ce dernier avait pour objectif le développement d’alternatives au couplage classique d’un procédé d’anodisation utilisant des bains de Cr (VI) aux résines époxy pour la protection des alliages d’aluminium contre la corrosion. Dans un premier temps, la synthèse par plasma atmosphérique dans un réacteur de type décharge à barrière diélectrique (DBD) de films riches en groupements carboxyliques à partir de 8 précurseurs organiques est étudiée. Une attention particulière est portée à la compréhension fondamentale des mécanismes de polymérisation de ces précurseurs. L’influence significative de minimes variations de la structure chimique du précurseur est étudiée. Concrètement, nous démontrons l’impact de la présence et de la position de doubles liaisons ou encore le ratio C/O dans le monomère injecté sur le mécanisme de synthèse des couches déposées. Pour ce faire, une méthodologie combinant des analyses de la phase plasma et des films déposés est proposée. Les propriétés électriques de la DBD d’argon sont évaluées par oscilloscope avant et durant l’injection des différents précurseurs. La quantité d’énergie transférée de la décharge vers le précurseur est évaluée par spectroscopie d’émission optique et corrélée à sa structure. Une fragmentation réduite est mise en évidence par spectrométrie de masse pour les monomères contenant une double liaison. Ces analyses de la phase plasma sont alors corrélées avec les propriétés physiques et chimiques des films synthétisés. Les compositions chimiques de surface et de la matrice des couches minces sont étudiées par spectroscopie à photoélectrons X (XPS) et infrarouge. Le rôle essentiel de la présence et de la position de la double liaison dans la molécule injectée est démontré. Les vitesses de dépôt et la rugosité des films déposés par plasma atmosphérique avec l’injection des 8 précurseurs sont évaluées par profilométrie à stylet. Dans la seconde partie, le couplage de deux méthodes de plasma atmosphérique est proposé pour la synthèse de couches d’alumine aux propriétés adaptables. Le premier traitement consiste en un nombre varié de passages d’une torche plasma opérant dans un régime d’arc. L’effet du nombre de passages sur les propriétés physiques et chimiques du substrat est étudié par XPS, angle de contact, microscopie électronique à balayage et mesures de diffraction à rayons X. Une corrélation est suggérée entre le nombre de passages de la torche et les propriétés électrochimiques du substrat. L’influence de ce premier traitement sur les propriétés de la couche d’oxyde d’aluminium synthétisée par oxydation par plasma électrolytique est mise en évidence. Dans un troisième temps, le plasma pouvant être considéré comme un réservoir d’énergie, une étude de faisabilité est réalisée afin d’évaluer sa potentielle utilisation pour la réticulation d’une résine de type benzoxazine. L’efficacité du traitement par DBD atmosphérique d’argon ou hélium est comparée et discutée. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les satellites en orbite terrestre se déplacent dans le plasma ionosphérique, un mélange de particules chargées, et éventuellement de particules neutres. Des électrons et des ions issus de ce plasma, ainsi que les émissions Ultra-Violets(UV) en provenance du soleil, interagissent avec les surfaces du satellite et modifient sa charge électrostatique. Cette chargement peut induire elle-même des décharges électrostatiques aux conséquences allant de perturbations électromagnétiques (fausses commandes par exemple) à la perte du satellite. En orbites de basse altitude (LEO) l'énergie cinétique et thermique du plasma est généralement faible et donc, les satellites vont rarement présenter des décharges importantes. Néanmoins, les missions scientifiques qui embarquent des instruments très performants et précis peuvent être affectées par cette interaction satellite-plasma-émissions UV. Cette thèse s'intéresse particulièrement à ces phénomènes de charge des structures externes du satellite et à l'impact de ce chargement sur les mesures scientifiques effectuées à bord, i.e. mesures du champ électrique et de la densité du plasma thermique. / Earth-orbiting satellites travel in ionospheric plasma, a mixture of charged particles, and possibly neutral particles. Electrons and ions from this plasma, as well as Ultra-Violet (UV) emissions from the sun, interact with the surfaces of the satellite and modify its electrostatic charge. This loading can itself induce electrostatic discharges to the consequences ranging from electromagnetic disturbances (false commands for example) to the loss of the satellite. In low-Earth orbits (LEO), the kinetic and thermal energy of the plasma is generally low and therefore satellites rarely exhibit large discharges. Nevertheless, scientific missions that carry high-performance and accurate instruments can be affected by this satellite-plasma-UV-emissions interaction. This thesis is particularly interested in these phenomena of charge of the external structures of the satellite and the impact of this load on the scientific measurements carried out on board, i.e. measures of the electric field and the density of the thermal plasma.

Introduite récemment par Hughes et ses collaborateurs, l'Analyse Isogéométrique connaît un large succès pour des problèmes principalement industriels. L'idée est de faciliter la communication entre la C.A.O et la simulation numérique, sans avoir à repasser à chaque fois par des mailleurs. Ainsi, les fonctions définissants la géométrie sont utilisées pour approcher les solutions des équations à dérivées partielles. L' application aux problèmes issues de l'électromagnétisme ont été motivé par les travaux de Buffa et ses collaborateurs à Pavie. Dans cette thèse, nous avons appliqué cette méthode pour résoudre des problèmes issues de la physique des plasmas. S'il est vrai que la géométrie n'est pas définie, l'analyse isogéométrique dans sa version isoparamétrique, nous fournit un outil très puissant pour approcher les domaines de calculs. Dans un plasma, ce domaine est défini par la résolution d'un problème d'équilibre (MHD equilibrium). A partir de là, différents modèles sont utilisés pour décrire le plasma: cinétiques ( gyrocinétique) ou fluides. Nous avons passé en revue les méthodes les plus classiques et plus utilisées afin de révéler l'intérêt de la méthode. Se basant sur la structure de produit tensoriel, nous avons développé des solveurs rapides pour la résolution de certains problèmes. Nous avons aussi dérivé un solveur, se basant sur les complexes de Hilbert, pour les équations de Maxwell en "time domain".

Dans cette thèse, on propose un nouveau modèle de couplage auto-cohérent entre des structures magnétiques cohérentes sur les échelles ioniques et des ondes dites de sifflement (whistlers, en anglais) à plus hautes fréquences, afin d'interpréter les données expérimentales recueillies par les satellites Cluster pendant un sous-orage magnétique dans la région nocturne de la magnétosphère terrestre. Le couplage fournit un mécanisme pour confiner et transporter les ondes whistlers par l'intermédiaire d' une onde nonlinéaire qui se propage obliquement par rapport au champ magnétique. Cette étude s'appuie sur une analyse des données expérimentales, sur une modélisation théorique ainsi que sur des simulations numériques. Pendant les sous-orages magnétiques, la magnétosphère est soumise à de fortes perturbations magnétiques et électriques dans une vaste gamme de fréquences, qui vont des basses fréquences, inférieures ou de l'ordre de l'échelle temporelle typique ionique, aux hautes fréquences, supérieures ou de l'ordre de l' échelle temporelle typique électronique. Afin de connaître les processus physiques qui déterminent la dynamique de la magnétosphère pendant les sous-orages, il est fondamental de comprendre si, et avec quel méchanisme, des couplages peuvent se produire entre des ondes qui se propagent sur des temps caractéristiques différents. Des structures magnétiques à basse fréquence ont déjá été obsérvées dans des régions comme la magnétogaine et le vent solaire, éventuellement associées à des ondes whistlers à plus haute fréquence. Dans cette thèse, on montre que des structures similaires sont obsérvées dans la couche de plasma à l'intérieur de la magnétosphère. On s'intérroge ensuite sur la façon dont l'inhomogénéité de telles structures peut influencer la propagation des ondes à plus haute fréquence. Grâce à ses quatre satellites en configuration tetraédrique et à ses mésures à haute résolution temporelle, la mission Cluster nous offre une occasion unique de pouvoir analyser la structure spatiale des perturbations stationnaires (ou se propageant) et d'étudier la dynamique du plasma sur des échelles temporelles plus courtes, telles que celles des ondes whistlers. Ainsi, je décrirai les émissions d'ondes whistlers détectées par les satellites Cluster à l'intérieur de structures magnétiques cohérentes situées dans un écoulement de plasma rapide pendant le sous-orage du 17 Août 2003. Au cours de cette période, les satellites Cluster sont situés dans la couche de plasma, séparés d'une distance de l'ordre des échelles spatiales typiques ioniques (le rayon de giration ou la longueur d'inertie des ions). Les ondes whistlers sont corrélées avec des structures magnétiques characterisées par un minimum du module du champ magnétique et un maximum de densité du plasma. Ces dernières ont été modélisées comme des ondes planes nonlinéaires de type lent qui piègent et transportent les ondes whistlers. A partir d'une étude théorique et numérique en utilisant une approche bi-fluide, on peut alors reproduire les données observationnelles. Le rôle possible de telles structures couplées dans la physique des sous-orages est aussi discuté. Ce nouveau mécanisme de piégeage, étudié ici en utilisant comme guide pour les whistlers une onde oblique de type magnétosonique, est d'intérêt plus général par rapport au contexte spécifique des observations présentées dans cette thèse. En effet, d'autres ondes nonlinéaires, comme par exemple les ondes d' Alfvén obliques ou d' Alfvén cinétiques dans les plasmas à beta fort (où beta est le rapport de la pression thermique du plasma sur la pression magnétique), pourraient aussi transporter les whistlers. Ce modèle de piégeage constitue aussi une explication alternative aux modèles existants qui considèrent une inhomogénéité stationnaire sous la forme d'un canal de densité. Enfin, l'étude décrite dans cette thèse concerne des problématiques fondamentales en physique des plasmas, comme la propagation d'ondes dans les milieux inhomogènes et l'interaction entre modes sur des échelles temporelles différentes.

L'entrée hypersonique d'un objet dans la haute atmosphère d'une planète entraîne la création d'un plasma à la suite de la compression très intense du gaz incident à l'objet. Cette compression s'effectue dans une couche de choc présentant une grande richesse en déséquilibres dont la méconnaissance limite notre capacité à prédire avec précision les contributions convective, radiative et catalytique de la densité de flux d'énergie pariétale, pourtant cruciale pour l'optimisation du dimensionnement du système de protection thermique de l'objet. Les contributions précédentes dépendent fortement des densités de population des états excités qui échappent à un comportement de type boltzmanien et présentent une distribution dépendant des phénomènes élémentaires collisionnels et radiatifs. Dans ces circonstances, le but de ces travaux était d'étudier, dans les situations d'entrée dans l'atmosphère de Mars et de la Terre, le comportement des états excités de mélanges complexes (CO2 -N2 -Ar et N2 -O2 -Ar, respectivement) basée sur le développement de modèles collisionnels-radiatifs (CR) électro-vibrationnels spécifiques. Deux modèles CR ont ainsi été développés : CoRaM-MARS pour l'atmosphère martienne (22 espèces, 10^6 processus élémentaires) et CoRaM-AIR pour l'atmosphère terrestre (13 espèces, 500000 processus élémentaires). Ces modèles, mis en œuvre dans une approche lagrangienne à pression et température constantes dans des conditions thermodynamiques représentatives des situations d'entrée (notamment le cas FIRE II pour les entrées terrestres), ont montré que le rayonnement présente une influence très faible sur la cinétique des mélanges étudiés et que les écarts à la distribution de Boltzmann sont systématiques. Le très grand nombre d'états à prendre en compte interdit une intégration directe des modèles CR précédents dans des codes aérodynamiques. Cependant, une réduction à l'azote de ces modèles a été réalisée. Le modèle CR ainsi constitué (CoRaM-N2 , 5 espèces, 150 états, 40000 processus élémentaires) a été intégré à un code eulérien traitant les écoulements monodimensionnels d'après-choc ou de tuyère divergente. L'accord avec des résultats expérimentaux acquis en tube à choc à fort nombre de Mach est très satisfaisant. Pour des applications 2D ou 3D, des taux globaux ont par ailleurs été déterminés théoriquement pour (1) l'ionisation/recombinaison par impact électronique de l'azote, de l'oxygène, du carbone et de l'argon, (2) la dissociation/recombinaison de N2 , O2 par impact de N, N2 , O, O2 et (3) la dissociation/recombinaison de CO2 par impact de lourd. La comparaison avec des résultats expérimentaux montre un accord en général très satisfaisant. Les taux directs et inverses étant calculés de manière indépendante, il est montré que leur rapport s'écarte de la constante d'équilibre globale correspondante à mesure que la température augmente.

La capacité à libérer l'énergie stockée dans le champ magnétique et à briser le théorème du gel font de la reconnexion magnétique un des phénomènes les plus importants de la physique des plasmas. Lorsqu'elle se produit dans un environnement non-collisionel comme la magnétosphère terrestre, une modélisation cinétique est à priori nécessaire. Cependant la plupart de notre compréhension du phénomène se base sur un interprétation fluide, plus intuitive. Dans quelle mesure ces deux interprétations d'un même phénomène sont-elles reliées ? C'est la problématique à laquelle cette thèse s'intéresse, dans le cas de la reconnexion antiparallèle et pour la population ionique du plasma. La première partie de ce travail s'intéresse à l'accélération fluide et cinétique des protons au sein de la région de reconnexion. Il est montré comment le mouvement individuel des particules joue un rôle du point de vue fluide via la force de pression, jusqu'alors négligée dans les modèles. Ces résultats ont également mené dans une seconde partie à des prédictions et vérifications observationnelles basées sur les données des satellites Cluster. Dans un troisième temps, nous montrons le rôle important joué par le flux d'énergie thermique dans le transfert d'énergie au cours du processus de reconnexion, dans le cas symétrique et asymétrique. Enfin la dernière partie de ce manuscrit propose une solution au problème fondamental consistant décrire une couche de courant tangentielle asymétrique dans un état d'équilibre cinétique

La matière en conditions extrêmes appartient au régime de la Warm Dense Matter qui se situe à la frontière entre le régime plasma dense et le régime de la matière condensée. Son comportement est encore mal connu et mal décrit. En effet, sa description théorique est très complexe et il est difficile de générer cet état de matière en laboratoire pour obtenir des données expérimentales pouvant valider les modèles. Ce travail de thèse a pour objectif d'étudier la structure électronique de l'aluminium en conditions extrêmes par le diagnostic de la spectroscopie d'absorption X. Expérimentalement l'aluminium a été porté dans des conditions de fortes densités et fortes températures jusque-là inexplorées. Par ailleurs, une source X capable de sonder l'aluminium sous choc a été générée. Deux spectromètres X ont permis l'acquisition des spectres d'absorption de l'aluminium dans ces conditions et des diagnostics optiques ont permis de déduire les conditions de densité et de température de l'aluminium de façon indépendante. En parallèle, des calculs ab initio ont été réalisés pour obtenir des spectres d'absorption dans les mêmes conditions afin de les comparer aux spectres expérimentaux. Du point de vue théorique, l'objectif était de valider les méthodes de calcul des spectres d'absorption X dans ce régime de fortes densités et fortes températures en analysant les modifications du flanc d'absorption. Le diagnostic de l'absorption X a également été utilisé pour étudier le phénomène physique de la transition métal-non métal qui a lieu à basse densité (densité < densité du solide). Cette transition peut alors être étudiée par les changements de la structure électronique du système étudié.

Le transport radial des particules dans les tokamaks constitue une des questions les plus cruciales pour la communauté de la fusion par con finement magnétique. En eff et, d'une part la puissance de fusion est proportionnelle au carré de la pression, d'autre part l'accumulation d'impuretés lourdes dans le coeur du plasma conduit à d'importantes pertes par rayonnement qui peuvent fi nir par causer un e ffondrement radiatif du plasma. Les dent de scie et la redistribution périodique de la température et de la densité de coeur qui lui est associée peuvent a ffecter signifi cativement le transport radial des électrons et des impuretés. Dans cette thèse, nous présentons des simulations numériques de dents de scie utilisant un code tridimensionnel non linéaire de magnétohydrodynamique appelé XTOR-2F, a n d'étudier le transport de particules pendant les dents de scie. Nous montrons que le code est capable de reproduire les structures fines de densité observées après le crash de la dent de scie avec le diagnostic de réfl ectométrie à balayage rapide sur les tokamaks Tore Supra et JET. La présence de ces structures implique la possibilité que le crash de dent de scie ne soit pas aussi effi cace que prévu pour évacuer les impuretés du coeur du plasma. Cependant, en appliquant le code aux impuretés, nous montrons que finalement le taux de redistribution est quantitativement similaire à ce qui est prévu par le modèle de Kadomtsev, un résultat inattendu a priori. Nous concluons que la dent de scie est e fficace pour évacuer les impuretés du coeur du plasma.

La présence simultanée de plusieurs plasmas le long de la trajectoire d'un faisceau laser énergétique est susceptible de modifier de manière importante le comportement des instabilités paramétriques par rapport au cas où un seul plasma est présent. Afin d'identifier les différents effets pouvant intervenir dans ce type de situation, un système de cible double dont l'écartement est ajustable a été développé, la première cible étant une mousse de faible densité et la seconde une feuille de plastique. Une partie de cette thèse est consacrée à la caractérisation de l'interaction dans les mousses seules, cette dernière étant encore peu connue à l'heure actuelle pour de si faibles densités. Dans le cas d'interaction en présence de deux plasmas, nous analysons successivement trois effets : celui du mélange hydrodynamique des deux plasmas, celui de l'incohérence induite par plasma et enfin celui du couplage électromagnétique entre les deux plasmas. Pour la première fois, il a été mis en évidence que l'incohérence induite par plasma sur un faisceau conduisait à la réduction de la rétrodiffusion Brillouin dans un plasma séparé. En revanche, cette incohérence ne parvient plus à compenser les effets hydrodynamiques se produisant par collision des plasmas lorsque ceux-ci sont suffisamment proches. Le couplage électromagnétique entre les plasmas affecte plus particulièrement la rétrodiffusion Raman, lorsque la rétrodiffusion du plasma de feuille traverse le plasma de mousse. Outre une réamplification du signal rétrodiffusé qui est un phénomène recherché dans l'amplification d'impulsions laser en milieu plasma, nous avons observé le développement de l'instabilité Raman dans une zone de plasma dominée par l'amortissement Landau ce qui est la signature d'effets cinétiques importants.