There has been a great deal of interest in investigating numerous unique types of electrostatic and electromagnetic waves and instabilities in dusty plasmas. Dusty plasmas are characterized by the presence of micrometer or submicrometer size dust grains immersed in a partially or fully ionized plasma. In this study, a two-dimensional numerical model is presented to study waves and instabilities in dusty plasmas. Fundamental differences exist between dusty plasmas and electron-ion plasmas because of dust charging processes. Therefore, a primary goal of this study is to consider the unique effects of dust charging on collective effects in dusty plasmas. The background plasma electrons and ions here are treated as two interpenerating fluids whose densities vary by dust charging. The dust is treated with a Particle-In-Cell PIC model in which the dust charge varies with time according to the standard dust charging model. Fourier spectral methods with a predictor-corrector time advance are used to temporally evolve the background plasma electron and ion equations. The dust charge fluctuation mode and the damping of lower hybrid oscillations due to dust charging, as well as plasma instabilities associated with dust expansion into a magnetized background plasma are investigated using our numerical model. Also, an ion acoustic streaming instability in unmagnetized dusty plasmas due to dust charging is investigated. The numerical simulation results show good agreement with theoretical predictions and provide further insight into dust charging effects on wave modes and instabilities in dusty plasmas. / Ph. D.

Stimulated electromagnetic emission (SEE) produced by interactions of high-power radio waves with the Earth's ionosphere is currently a topic of significant interest in ionospheric modification physics. SEE is believed to be produced by nonlinear wave-wave interactions involving the electromagnetic and electrostatic plasma waves in the altitude region where the pump wave frequency is near the upper hybrid resonance frequency. The most prominent upshifted feature in the SEE spectrum is the broad upshifted maximum (BUM). In this study, the instability processes thought to be responsible to the BUM spectra in the SEE experiments are discussed and analyzed using theoretical and electrostatic particle-in-cell (PIC) models. From characteristics of this feature, a four-wave parametric decay process has been studied as a viable mechanism for its production. The object is to (1) investigate the early time nonlinear development of the four-wave decay instability by using theoretical and numerical simulation models, (2) study the variation of the four-wave decay instability spectral features for a wide range of plasma and pump wave parameters, and (3) access its possible role in the production of the BUM spectral feature. Results of this investigation show that there is good agreement between predictions of the proposed theoretical model and the numerical simulation experiments. The simulation electric field power spectrum exhibits many of the important features of the experimental observations. The numerical simulation results show that consideration of the full nonlinear development of the four-wave parametric instability is crucial in providing insight into the asymmetric nature of the wave frequency spectrum observed during the experiments. The velocity-space ring-plasma instability, another generation mechanism for the BUM spectra, is studied using a theoretical model. The theoretical calculations show that the growth rate is larger in the region of the upper hybrid wave than that of the electron Bernstein wave. In addition, the effects of various plasma parameters are analyzed and it is predicted that the BUM should be more prominent with a hotter ring, at the direction perpendicular to the magnetic field, or in a closer region of cyclotron harmonic. A detailed comparison of the velocity space ring-plasma instability and the four-wave parametric process is presented where both the differences and the possible relations are discussed. / Ph. D.

This work focuses on the analysis of plasma irregularities generated during two active space experiments: the injection of an artificial dust layer, and high-power radio waves. The objective of the "first experiment is to examine the effects of artificially created dust layers on the scatter of radars from plasma irregularities embedded in dusty plasma in space. This is an alternate approach for understanding the mechanisms of enhanced radar scatter from plasma irregularities embedded in Noctilucent Clouds and Polar Mesospheric Summer Echoes. The second experiment involves a transmission of high power electromagnetic waves into the ionospheric plasma from the ground, which can excite stimulated electromagnetic emissions offset from the transmitter frequency. These stimulated electromagnetic emissions provide diagnostic information of the ionosphere and thus can be used to investigate fundamental physical principles which govern the earth\'s ionosphere, so that present and future transmission technologies may take into account the complexities of the ionosphere. The interaction altitude of the artificial dust layer and high power radio waves is approximately 250 km and 160 km respectively, thus dealing with uniquely different regions of the ionosphere. Each experiment is discussed separately using theoretical, observational and advanced computational methodologies. The study first investigates plasma turbulence associated with the creation of an artificial dust layer in the earth's ionosphere. Two scenarios are considered for plasma irregularity generation as dust is injected at an oblique angle across the geomagnetic field. The first is a shear-driven plasma instability due to inhomogeneities in the boundary layer between the injected charged dust layer and the background plasma. This begins to appear at very early times once the dust is released into the space plasma, which is of the order or less than the dust charging time period. The second mechanism is free streaming of the charged dust relative to the background plasma. This produces irregularities at times much longer than the dust charging period and also longer than the dust plasma period. Although both mechanisms are shown to produce turbulence in the lower hybrid frequency range, the resulting irregularities have important differences in their physical characteristics. A comparison between the processes is made to determine the consequences for upcoming observations. Both processes are shown to have the possibility of generating turbulence after the release of dust for the regimes of upcoming space experiments over a range of timescales. This work also presents the first observations of unique narrowband emissions ordered near the Hydrogen ion (H+) gyro-frequency (fcH) in the Stimulated Electromagnetic Emission (SEE) spectrum when the transmitter is tuned near the second electron gyro-harmonic frequency (2fce), during ionospheric modification experiments. The frequency structuring of these newly discovered emission lines is quite unexpected since H+ is known to be a minor constituent in the interaction region which is near 160 km altitude. The spectral lines are typically shifted from the pump wave frequency by harmonics of a frequency about 10% less than fcH (" 800 Hz) and have a bandwidth of less than 50 Hz which is near the O+ gyro-frequency fcO. A theory is proposed to explain these emissions in terms of a Parametric Decay Instability (PDI) in a multi-ion species plasma due to possible proton precipitation associated with the disturbed conditions during the heating experiment. The observations can be explained by including several percent H+ ions into the background plasma. The implications are new possibilities for characterizing proton precipitation events during ionospheric heating experiments. / Ph. D.

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Une nouvelle approche, en utilisant un 3D code électromagnétique (PIC), est présentée pour étudier la sensibilité de la magnétosphère de la terre à la variabilité du vent solaire. Commençant par un vent solaire empiétant sur une terre magnétisée, le temps a été laissé au système ainsi une structure d'état d'équilibre de la magnétosphère a été atteinte. Une perturbation impulsive a été appliquée au système par changeant la vitesse du vent solaire pour simuler une dépression en sa pression dynamique, pour zéro, au sud et du nord du champ magnétique interplanétaire(IMF). La perturbation appliquée, un effet de trou d'air qui pourrait être décrit comme espace ~15Re est formé pour tous les cas d'état de IMF. Dès que le trou d'air a frappé le choc d'arc initial de la magnétosphère régulière, une reconnexion entre le champ magnétique de la terre et le IMF sud a été notée à la coté jour magnétopause(MP). Pendant la phase d'expansion du système, la frontière externe de la coté jour du MP a enfoncé quand IMF=0, et pourtant elle sa forme de balle quand un IMF au sud et nordique étaient inclus. La relaxation de temps du MP pour les trois cas de IMF a été étudiée. Le code est alors appliqué pour étudier l'événement d'Halloween de l'octobre 2003. Notre simulation a produit un nouveau genre de trou d'air, un espace raréfié qui a été produit après un gradient fort en IMF d'empiétement. Un tel dispositif est tout à fait semblable aux anomalies chaudes observées d'écoulement et peut avoir la même origine

Les accélérateurs par onde de sillage plasma produites par faisceaux de particules (PWFA) ou par faisceaux laser (LWFA) appartiennent à un nouveau type d’accélérateurs de particules particulièrement prometteur. Ils permettent d’exploiter des champs accélérateurs jusqu’à cent Gigaélectronvolt par mètre alors que les dispositifs conventionnels se limitent à cent Megaélectronvolt par mètre. Dans le schéma d’accélération par onde de sillage plasma, ou par onde de sillage laser, un faisceau de particules ou une impulsion laser se propage dans un plasma et créé une structure accélératrice dans son sillage : c’est une onde de densité électronique à laquelle sont associés des champs électromagnétiques dans le plasma. L’un des principaux résultats de cette thèse a été la démonstration de l’accélération par onde de sillage plasma d’un paquet distinct de positrons. Dans le schéma utilisé, un plasma de Lithium était créé dans un four, et une onde plasma était excitée par un premier paquet de positrons (le drive ou faisceau excitateur) et l’énergie était extraite par un second faisceau (le trailing ou faisceau témoin). Un champ accélérateur de 1,36 GeV/m a ainsi été obtenu durant l’expérience, pour une charge accélérée typique de 40 pC. Nous montrons également ici la possibilité d’utiliser différents régimes d’accélération qui semblent très prometteurs. Par ailleurs, l’accélération de particule par sillage laser permet quant à elle, en partant d’une impulsion laser femtoseconde de produire un faisceau d’électron quasi-monoénergétique d’énergie typique de l’ordre de 200 MeV. Nous présentons les résultats d’une campagne expérimentale d’association de ce schéma d’accélération par sillage laser avec un schéma d’accélération par sillage plasma. Au cours de cette expérience un faisceau d’électrons créé par laser est refocalisé lors d’une interaction dans un second plasma. Une étude des phénomènes associés à cette plateforme hybride LWFA-PWFA est également présentée. Enfin, le schéma hybride LWFA-PWFA est prometteur pour optimiser l’émission de rayonnement X par les électrons du faisceau de particule crée dans l’étage LWFA de la plateforme. Nous présentons dans un dernier temps la première réalisation expérimentale d’un tel schéma et ses résultats prometteurs. / Plasma wakefield accelerators (PWFA) or laser wakefield accelerators (LWFA) are new technologies of particle accelerators that are particularly promising, as they can provide accelerating fields of hundreds of Gigaelectronvolts per meter while conventional facilities are limited to hundreds of Megaelectronvolts per meter. In the Plasma Wakefield Acceleration scheme (PWFA) and the Laser Wakefield Acceleration scheme (LWFA), a bunch of particles or a laser pulse propagates in a gas, creating an accelerating structure in its wake: an electron density wake associated to electromagnetic fields in the plasma. The main achievement of this thesis is the very first demonstration and experimental study in 2016 of the Plasma Wakefield Acceleration of a distinct positron bunch. In the scheme considered in the experiment, a lithium plasma was created in an oven, and a plasma density wave was excited inside it by a first bunch of positrons (the drive bunch) while the energy deposited in the plasma was extracted by a second bunch (the trailing bunch). An accelerating field of 1.36 GeV/m was reached during the experiment, for a typical accelerated charge of 40 pC. In the present manuscript is also reported the feasibility of several regimes of acceleration, which opens promising prospects for plasma wakefield accelerator staging and future colliders. Furthermore, this thesis also reports the progresses made regarding a new scheme: the use of a LWFA-produced electron beam to drive plasma waves in a gas jet. In this second experimental study, an electron beam created by laser-plasma interaction is refocused by particle bunch-plasma interaction in a second gas jet. A study of the physical phenomena associated to this hybrid LWFA-PWFA platform is reported. Last, the hybrid LWFA-PWFA scheme is also promising in order to enhance the X-ray emission by the LWFA electron beam produced in the first stage of the platform. In the last chapter of this thesis is reported the first experimental realization of this last scheme, and its promising results are discussed.

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.