PEGASES est un propulseur à grilles qui accélère à la fois des ions positifs et des ions négatifs pour la poussée. Il nécessite la création d'un plasma ion-ion afin de permettre l'extraction des ions négatifs. Pour obtenir un taux d'ionisation et un taux d'attachement efficaces, le plasma doit être composé de deux températures électroniques : une température élevée pour créer les ions positifs et une faible pour créer les ions négatifs. Ce plasma ion-ion est créé au moyen d'un filtre magnétique qui permet le refroidissement des électrons et qui ralentit leur diffusion. Avec cette méthode, on obtient une forte température électronique près de la zone d'ionisation, avant le maximum de champ magnétique, et une température faible dans la région en aval du filtre magnétique. Plusieurs problèmes se posent alors i) le plasma est excité à la RadioFréquence (RF), celle-ci est susceptible de créer des fluctuations RF du potentiel plasma importantes rendant les mesures de sondes difficiles, ii) les mesures électrostatiques dans les plasmas magnétisés sont rendues difficiles à cause de l'anisotropie des électrons dans un champ magnétique et iii) pour les mesures en plasma ion-ion (caractéristiques courant-tension symétriques) peu de théories existent pour extraire les paramètres plasmas dans nos régime de pressions. Deux diagnostics électrostatiques et un modèle pour extraire les paramètres plasmas dans les plasmas électronégatifs ont été mis au point pendant ma thèse au LPP. Le premier diagnostic est une sonde flottante capacitive permettant la mesure des fluctuations RF du potentiel plasma. Avec ces mesures, la source de PEGASES a été ajustée pour diminuer ces fluctuations. Le second diagnostic est une sonde de Langmuir adaptée pour faire des mesures dans les plasmas électronégatifs magnétisés. Le haut taux de gravure du gaz électronégatif utilisé ainsi que l'anisotropie électronique créée par le champ magnétique impose certaines contraintes sur les matériaux et les dimensions de la sonde de Langmuir. Le modèle reproduit les caractéristiques de sonde de Langmuir dans les plasmas électronégatifs supposant des distributions de Boltzmann. Depuis les courbes I-V mesurées et une procédure d'ajustement de courbe intégrée au modèle analytique il est possible de mesurer i) les températures et les densités des électrons et des ions positifs et négatifs pour les plasmas fortement électronégatifs ($n_-/ n_e>50$), et ii) la température des électrons et les densités des ions positifs et négatifs pour les plasma faiblement électronégatifs ($n_-/ n_e<50$). Ces diagnostics nous ont permis d'étudier l'effet de différents champs magnétiques sur un plasma électropositif et électonégatif. Dans le premier cas, nous avons montré que seul le gradient positif du champ magnétique induit une diminution de la température électronique, le minimum de température électronique est ainsi obtenu au maximum du champ magnétique. Ce minimum de température peut être contrôlé grâce à l'intensité du champ magnétique alors que la pression contrôle la température en amont du filtre. Lorsque qu'un gaz électronégatif est utilisé, un plasma ion-ion est créé environ 1 cm après le maximum de champ magnétique. Les densités d'ions sont relativement constantes au travers du filtre magnétique alors que la densité électronique chute de 3 ordres de grandeur. Contrairement aux plasmas électropositifs où le minimum de température électronique est obtenu au maximum de champ magnétique, la formation du plasma ion-ion est contrôlée par la pression et le ratio de SF6 dans le mélange. Un modèle simple basé sur la mesure des densités et des températures des ions a permis d'évaluer l'efficacité de PEGASES à $T=25$~mN.kW$^{-1}$ et $I_{\rm{sp}}=3790$~s, qui est dix fois moins pour une surface d'éjection quatre fois plus petite que le propulseur ionique à grille T6 de chez QinetiQ qui va propulser la mission Bepi-Colombo.

Cette thèse constitue une étude théorique et numérique de la détente d'un plasma dans le vide. Elle fournit une compréhension globale des mécanismes d'expansion de plasmas avec une fonction de distribution des électrons bi-Maxwellienne (avec une température d'électrons " chaude " et une température " froide "). Dans la première partie, on étudie les caractéristiques (amplitude, position, structure microscopique, etc) du choc de raréfaction qui apparaît dans le plasma si le rapport des températures chaude et froide est supérieure à 9.9. Cette étude est réalisée avec un modèle semi-infini; le plasma est une source infinie de particules et d'énergie. Les expressions analytiques des grandeurs de l'écoulement sont établies. Le comportement de la structure du plasma pour les différents régimes d'expansion est précisé. Les effets du choc de raréfaction sur l'accélération des ions sont brièvement étudiés. Les simulations numériques effectuées avec un code hybride 1-D sont comparés aux résultats du modèle analytique. Dans la seconde partie, on évoque l'expansion d'une feuille mince avec un code cinétique unidimensionnel. Contrairement au modèle de plasma semi-infini, la fonction de distribution des électrons n'est pas maintenue Maxwellienne dans le temps, mais sa dynamique est gouvernée par l'équation de Vlasov. Cette description permet de tenir compte des transferts d'énergie entre les composantes chaude, froide et les ions. Les résultats de ce code sont utilisés pour comprendre le chauffage initial des électrons froids qui se produit dans les plasmas dominés initialement par les électrons chauds. Une expression de la température froide au cours de l'accélération de l'onde de raréfaction est établie. Pour un plasma avec des paramètres initiaux similaires à ceux obtenus lors de l'interaction d'une impulsion laser ultra-intense avec une cible, on met en évidence un refroidissement global des électrons sur des échelles de temps différentes, puis une réduction de l'amplitude du choc de raréfaction (et du creusement du spectre des ions).

L'électrotechnique est une science relativement ancienne, mais toujours d'actualité. Que ce soit le transport d'électricité, les machines électriques ou l'électrostatique, ce sont des domaines de recherche étudiés depuis longtemps, pourtant, on observe une augmentation de l'intérêt et de la demande sociétale pour la recherche en électrotechnique. La consommation d'électricité mondiale et en France croît chaque année et les récents développements de la dérégulation du marché de l'électricité imposent une gestion des coûts et une optimisation des moyens de productions. Ces problématiques sont complétées par l'introduction de plus en plus massive des énergies renouvelables qui apportent de l'incertitude supplémentaire dans la résolution des optimisations technico-économiques. Cette entrée des énergies renouvelables est due à une forte demande sociétale de réduction des émissions de gaz à effet de serre. De la même manière, le monde des transports assiste à une électrification accrue des organes allant jusqu'au remplacement des moteurs thermiques par des moteurs électriques. Des contraintes d'encombrement et de poids entraînent une recherche importante dans l'optimisation des systèmes de motorisation électriques. Pour faire de l'optimisation, il faut pouvoir disposer de modèles de comportement. Optimiser c'est bien souvent se positionner en limite de fiabilité pour le système, il faut alors bien comprendre les mécanismes physiques et assurer sa robustesse notamment au niveau des décharges partielles et des claquages électriques.

Nous étudions de façon expérimentale les mécanismes d'excitation et de relaxation électroniques, sous irradiation par impulsion laser (UV et IR) ultracourte (60 fs - 1 ps), dans les matériaux diélectriques à large bande interdite. Les régimes explorés vont de l'ionisation sans modification permanente (quelques TW/cm²) jusqu'au régime ablatif (dizaines de TW/cm²). L'objectif de ce travail à caractère fondamental est la compréhension du processus d'endommagement laser dans nos conditions d'irradiation. D'abord, la connaissance de la densité électronique du matériau irradié aux différents stades d'excitation permet la quantification de cette interaction. La technique d'interférométrie résolue en temps est utilisée pour mesurer de façon directe cette quantité d'excitation. Cette mesure, effectuée au seuil de claquage pour différentes durées d'impulsion remet en question l'utilisation de densité d'excitation critique comme critère universel d'endommagement. Un nouveau critère, lié à l'énergie échangée est proposé. D'autre part, l'utilisation d'un schéma expérimental à deux impulsions " pompes " a permis la distinction des mécanismes d'excitation intervenant à l'échelle temporelle de l'ordre de la durée des impulsions utilisées. Nos résultats indiquent des comportements différents selon les matériaux utilisés. L'existence d'une avalanche électronique est observée dans certains matériaux (SiO2, NaCl) alors que ceci n'est pas le cas pour d'autres (Al2O3, MgO). Ces différences seront discutées en détail. Ensuite, nous mesurons le spectre en énergie des électrons excités par une technique complémentaire : la spectroscopie de photoémission. Ces résultats ont permis d'une part de montrer l'existence d'un effet croisé entre deux impulsions " pompes " qui se traduit par une augmentation de l'énergie des photoélectrons et d'autre part la mesure des temps caractéristiques de relaxation des électrons selon leur énergie cinétique. Enfin, une étude morphologique des cratères résultants de l'ablation a été effectuée et ce pour différents paramètres d'irradiation avec une seule impulsion (nombre de tirs, énergie et durée de l'impulsion) ainsi que pour le cas de l'association de deux impulsions en fonction de leur délai.

Le confinement magnétique dans les tokamaks est à l'heure actuelle la voie la plus avancée pour produire de l'énergie par fusion thermonucléaire. Des études théoriques et expérimentales ont montré que la génération de rotation permet d'en augmenter les performances par la réduction du transport turbulent à l'œuvre dans les plasmas de tokamaks. L'influence de la rotation sur les flux turbulents de chaleur et de particules ainsi que le transport du moment angulaire sont étudiés par simulation numérique dans le cadre du code gyro-cinétique, quasi-linéaire QuaLiKiz. A cette occasion, le code QuaLiKiz est modifié pour prendre en compte la rotation du plasma et calculer le flux de moment angulaire. Il est montré que le cadre de travail de QuaLiKiz permet de calculer le flux de moment angulaire y compris le stress résiduel induit par le cisaillement du champ électrique radial ainsi que l'effet de la rotation sur les flux de chaleur et de particules. Les approximations majeures du formalisme utilisé, en particulier la représentation de ballonnement à son ordre le plus bas et l'utilisation de fonctions propres analytiques calculées dans la limite hydrodynamiques, sont analysées en détail et leur validité vérifiée. La construction des flux quasi-linéaires est ensuite détaillée et le flux quasi-linéaire de moment angulaire dérivé. Les différentes contributions au flux turbulent de moment angulaire sont étudiées et comparées avec succès à la fois aux données de simulations gyro-cinétiques non-linéaires ainsi qu'aux données expérimentales.

Understanding the complexities of the interior of planets and stars requires the help of analyzing the effects of high pressures on certain elements believed to be found within. The Hartree-Fock method uses the Schr¨odinger equation, Kummer’s differential equations and a confinement potential to simulate an atom being squeezed to high pressures. The Hartree-Fock method was used to calculate the total energies of atoms. After being compared to Gaussian03 and VASP, the results were deemed accurate. It was also observed that the pressure versus density data closely approximated those pairs found in outer space in the interiors of, for example, Jupiter.

STREAM is a 4-year multi-site training network that aims at career development of Early Stage Researchers (ESRs) on scientific design, construction manufacturing and of advanced radiation instrumentation. STREAM targets the development of innovative radiation-hard, smart CMOS sensor technologies for scientific and industrial applications. The platform technology developed within the project will be tested in the demanding conditions posed by the CERN LHC detectors' environment as well as European industry leaders in the field of CMOS imaging, electron microscopy and radiation sensors. This leveraging factor will allow to fine-tune the technology to meet the requirements of industrial application cases on demand such as electron microscopy and medical X-ray imaging, as well as pathway towards novel application fields such as satellite environments, industrial X-ray systems and near-infrared imaging. The project will train a new generation of creative, entrepreneurial and innovative early-stage researchers and widen their academic career and employment opportunities. The STREAM consortium is composed of 10 research organisations and 5 industrial partners; the network will provide training to 17 ESRs. STREAM structures the research and training in four scientific work-packages which span the whole value-chain from research to application: CMOS Technologies Assessment, Smart Sensor Design and Layout, Validation and Qualification, Technology Integration, and Valorization.

Dans cette thèse, nous commençons par étudier un modèle hamiltonien à champ moyen, dont les propriétés statistiques d'équilibre sont exactement solubles, et permettent en outre de prédire le comportement asymptotique des réalisations temporelles du système. Nous nous intéressons aux propriétés de relaxation vers des états dits d'équilibre à partir de conditions initiales particulières, et étudions en détail l'impact du nombre de particules sur les échelles temporelles en jeu. La motivation principale réside dans le fait que le modèle considéré, bien que très simple, présente une phénoménologie rappelant celle de systèmes bien plus complexes, fournissant ainsi à moindre coût un formidable terrain d'expérimentations numériques et théoriques. Nous avons obtenu une série de résultats sur les temps de relaxation du modèle en fonction du nombre de particules, confirmant d'une part les observations numériques existantes, et proposant d'autre part une nouvelle méthode d'étude d'états hors d'équilibre, basée sur l'exploration de l'espace des phases par le système. Nous nous intéressons ensuite au problème de la diffusion de particules lourdes en tokamak, dans l'optique de comprendre comment des impuretés, en situation réelle, pourraient voyager des bords de l'enceinte de confinement vers l'axe magnétique de l'appareil pour y absorber l'énergie du plasma, rendant alors vaine toute tentative de fusion. Nous mettons à l'épreuve la théorie de diffusion stochastique dans le régime de dents de scie, en nous basant sur des simulations numériques de particules test, et montrons que la stochasticité des lignes de champ magnétique, de par la topologie du champ électrique résultant, est une condition nécessaire permettant la reproduction résultats expérimentaux.

Cette thèse propose différentes méthodes théoriques et numériques pour simuler à coût réduit le comportement des plasmas ou des faisceaux de particules chargées sous l'action d'un champ magnétique fort. Outre le champ magnétique externe, chaque particule est soumise à un champ électromagnétique créé par les particules elles-mêmes. Dans les modèles cinétiques, les particules sont représentées par une fonction de distribution f(x,v,t) qui vérifie l'équation de Vlasov. Afin de déterminer le champ électromagnétique, cette équation est couplée aux équations de Maxwell ou de Poisson. L'aspect champ magnétique fort est alors pris en compte par un adimensionnement adéquat qui fait apparaître un paramètre de perturbation singulière 1/ε. Le premier chapitre de cette thèse est une introduction à la fusion contrôlée par confinement magnétique dans les Tokamaks. Le second chapitre est consacré à la théorie gyrocinétique géométrique. Cette théorie repose sur la géométrie différentielle et la dynamique des systèmes hamiltoniens. L'objectif est de faire une succession de changements de coordonnées afin de se ramener à un système proche du centre-guide historique dans lequel les expressions de la matrice de Poisson et du Hamiltonien permettent une réduction de la dimension des trajectoires. Le chapitre 3 met en pratique les mêmes techniques sur un autre problème, la modélisation paraxiale d'un faisceau de particules chargées. Le dernier chapitre est dédié à un schéma numérique basé sur un intégrateur exponentiel en vitesse. Ce schéma a pour objectif d'approcher numériquement des solutions fortement oscillantes avec une méthode Particle-In-Cell en utilisant un pas de temps beaucoup plus grand que la période d'oscillation rapide. Il est testé sur une équation de Vlasov linéaire ainsi que sur le système de Vlasov-Poisson.

Ce travail de thèse de doctorat propose et évalue différentes solutions pour caractériser, avec des outils optiques et électromagnétiques non intrusifs, les nanoparticules et agrégats observés dans différents systèmes physiques : suspensions colloïdales, aérosols et plasma poussiéreux. Deux types de modèles sont utilisés pour décrire la morphologie: d'agrégats fractals (p. ex. : suies issues de la combustion, de procédés plasma) et agrégats compacts (qualifiés de " Buckyballs " et observés dans des aérosols produits par séchage de nano suspensions). Nous utilisons différentes théories et modèles électromagnétiques (T-Matrice et approximations du type dipôles discrets) pour calculer les diagrammes de diffusion (ou facteur de structure optique) de ces agrégats, de même que leurs spectres d'extinction sur une large gamme spectrale. Ceci, dans le but d'inverser les données expérimentales obtenues en temps réel. Différents outils numériques originaux ont également été mis au point pour parvenir à une analyse morphologique quantitative de clichés de microscopie électronique. La validation expérimentale des outils théoriques et numériques développés au cours de ce travail est focalisée sur la spectrométrie d'extinction appliquée à des nano agrégats de silice, tungstène et silicium.