L'accélération de protons par laser a connu une expansion exponentielle ces dernières années principalement grâce à une amélioration des lasers de puissance associée à une diminution de la taille et du coût de telles installations. Les applications envisagées de ces faisceaux sont nombreuses, tant dans le domaine médical (proton thérapie, création d'isotopes pour la TEP...) que dans le domaine énergétique (fusion inertielle, allumeur rapide...). L'interaction entre un faisceau laser intense et une cible solide permet de générer différents types de rayonnement ionisant, notamment des électrons, ions, neutrons, rayons X et protons. L'intérêt de ma thèse est de caractériser les faisceaux de protons produits par laser (divergence, energie, spectre, stabilité...) en fonction des différents paramètres laser, afin d'optimiser la conversion de l'énergie laser en protons énergétiques, pour, à plus long terme, une utilisation éventuelle de ce faisceau lors de traitements en proton thérapie. Ceci nous a amené, dans un premier temps, à développer des diagnostics adaptés pour une détection en temps réel du faisceau de protons puis, dans un deuxième temps, à ouvrir une discussion sur les paramètres laser d'intérêt intervenant dans la génération du faisceau de protons. L'énergie maximale des protons atteinte avec des impulsions courtes est de 10 MeV (LOA), en utilisant des impulsions plus longues (et plus d'énergie laser), le record est de 58 MeV (LNL). Ces résultats sont prometteurs et encourageants pour l'avenir, mais encore bien loin de la gamme 70 - 200 MeV nécessaire pour des traitements en proton thérapie.

Le contrôle de la turbulence dans les tokamaks est essentiel dans le cadre de la production d'énergie en régime stationnaire. Par ailleurs, les systèmes de chauffage produisent des particules énergétiques. Lorsque turbulence et particules énergétiques coexistent, leur interaction doit être prise en compte. Ceci constitue le cadre de ce manuscrit. Nous analysons (1) la génération de particules énergétiques et (2) l'impact de ces particules sur la turbulence. La génération de particules énergétiques est étudiée en quantifiant l'effet des particules énergétiques sur les propriétés des décharges ICRH d'ITER et introduisons la possibilité d'une anisotropie dans l'espace de vitesses, essentielle pour la modélisation de scénarios ICRH. Ceci est fait à travers le couplage d'un code full-wave 3D appelé EVE et d'un module appelé AQL, qui résout l'équation de Fokker-Planck en vitesse parallèle et perpendiculaire. L'effet des particules énergétiques sur la turbulence est mis en évidence à travers le code GYSELA en deux étapes. Dans un premier temps, nous démontrons l'excitation d'une classe de mode de particules énergétiques dans le domaine de la fréquence acoustique (EGAMs). Dans un second temps, les EGAMs sont excités en la présence de turbulence dans des simulations à forçage par le flux. Nous montrons que les EGAMs et la turbulence interagissent d'une manière extrêmement complexe. Notamment, nous montrons que le contrôle de la turbulence à travers un cisaillement oscillant excité par des particules énergétiques n'est pas immédiat. D'une part, la turbulence semblerait se propager en la présence d'EGAMs. D'autre part, le transport turbulent est modulé à la fréquence EGAM.

Ce travail est consacré à l'étude d'un problème issu de la physique des plasmas: le transfert thermique des électrons dans un plasma proche de l'équilibre maxwellien. Dans un premier temps, le régime asymptotique de Spitzer-Harm est étudié. Un modèle proposé par Schurtz et Nicolai est analysé et situé dans le cadre des modeles hydrodynamiques en dehors de la limite strictement asymptotique. Le lien avec les modèles non-locaux de Luciani et Mora est établi, ainsi que les propriétés mathématiques tels que le principe du maximum et la dissipation entropique. Ensuite, une dérivation formelle à partir des équations de Vlasov est proposée. Une hiérarchie de modèles intermédiaires entre les équations cinétiques et la limite hydrodynamique est décrite. En particulier, un nouveau système hydrodynamique, de nature intégro-différentielle, est proposé. Le système Schurtz et Nicolai apparaît comme une simplification du modèle issu de la diversion. L'existence et l'unicité de la solution du système non-stationnaire sont établies dans un cadre simplifié. La dernière partie est consacrée à la mise en œuvre d'un schéma numérique spécifique pour la résolution de ces modèles. Nous proposons une approche par volumes finis efficace sur des maillages non-structurés. La précision de ce schéma permet de capturer des effets spécifiques aux modèles cinéiques, qui ne peut être reproduit par le modèle asymptotique de Spitzer-Harm. La consistance de ce schéma avec celui de l'équation Spitzer-Harm est mise en evidence, ouvrant la voie à une stratégie de couplage entre les deux modèles.

PEGASES est un nouveau propulseur conçu et développé au LPP. Un propulseur électrique classique éjecte de la matière positive à grande vitesse depuis un plasma électropositif pour générer la poussée. La nouveauté introduite par PEGASES est le fait que la poussée est générée par l'accélération successive d'ions positifs et d'ions négatifs issus d'un plasma ion-ion continu. Le propulseur PEGASES est composé de trois étages: (i) un étage d'ionisation constitué d'une source radiofréquence (rf) pour le couplage inductif d'un plasma électronégatif à partir d'un gaz contenant des halogènes, (ii) un étage de filtrage magnétique des électrons pour obtenir un plasma ion-ion, et (iii) l'étage d'accélération des ions utilisant des grilles polarisées alternativement pour créer un champ électrique dont le sens varie dans le temps. Durant ma thèse, j'ai travaillé essentiellement sur les premier et troisième étages sur deux prototypes de PEGASES. Un plasma ion-ion a été obtenu dans le premier prototype à partir de SF6 grâce à un filtrage magnétique important. Mais des limitations inhérentes et significatives rendent les performances insuffisantes pour le processus d'accélération voulu. Afin d'obtenir une source d'ions électriquement performante, le second prototype utilise une source inductive plane avec une bobine à noyau de ferrite et une boîte d'accord d'impédance comportant un transformateur à faibles pertes. Le couplage capacitif parasite a été réduit en optimisant la boîte d'accord et les progrès sont évalués grâce à la mesure du spectre du potentiel plasma par sonde capacitive. Le plasma est étudié à l'aide de sondes de Langmuir et d'un analyseur de l'énergie des ions (RFEA) dans les deux prototypes. Le potentiel d'un plasma ion-ion peut être contrôlé par une électrode polarisée en contact avec le plasma. L'accélération des ions issus du plasma ion-ion est étudiée dans le cas continu où la polarisation des grilles est fixée puis en imposant une tension créneau d'amplitude comprise entre 0 et ± 350 V avec une fréquence de 1 kHz. Dans le cas alternatif, les ions positifs et les ions négatifs sont accélérés durant les demi-périodes de polarisation positive et négative respectivement. L'énergie respective des deux populations d'ions peut être contrôlée indépendamment, en continu et en alternatif. Avec ces résultats est démontrée la faisabilité du concept PEGASES et l'étude du propulseur peut passer à l'étape de développement et réalisation.

La fusion nucléaire est une solution technologique prometteuse pour une nouvelle source d'énergie. Cependant, utiliser la par fusion nucléaire confinement magnétique comme source d'énergie constitue un challenge scientifique et technologique car cela requière à la fois un bon confinement du plasma de cœur et un contrôle des flux de chaleurs arrivant à la paroi. Ce travail est motivé par la problématique de la gestion des flux de chaleur dans les réacteurs de fusion. Cela est nécessaire pour éviter d'endommager les coûteux composants faisant face au plasma. La compréhension des mécanismes physiques régissant le transport de la chaleur dans le plasma de bord est une tâche critique pour le design des futures machines. Dans ce contexte, il est nécessaire de faire des prédictions fiables de l'étalement de la chaleur dans le but de dimensionner correctement ces futures machines. Cela appelle à un fondement théorique décrivant la manière dont l'énergie s'échappe du plasma. Des études théoriques et expérimentales ont tenté aboutir à cette fin, cependant les mécanismes en jeux ne sont toujours pas clairs. Pour atteindre ce but, la modélisation numérique est un complément nécessaire aux expériences. Ce travail de thèse est dédié à l'étude numérique des différents aspects du transport de la chaleur dans le plasma de bord un utilisant les approches fluides. Une attention particulière est porté à deux mécanismes suspectés de joué un grand rôle dans le transport de la chaleur : le transport intermittent due à la turbulence et le transport convectif à large échelle par les vitesses dérives. Le problème a été traité avec une approche graduelle en utilisant différent outils numériques. / Fusion devices are a promising solution for a new source of energy. However, using fusion reaction to produce power within a magnetic confinement is a scientific and technological challenge as it requires a high confinement in the core plasma at the same time as a good control of plasma exhaust on the material walls. This work is motivated by the key problematic of power handling in fusion power plants necessary to avoid damaging the expensive plasma facing components (PFC). The understanding of the physics underlying the heat transport, and more specifically is a critical task for the engineering design of future Tokamak devices. In this context, it is mandatory to make reliable predictions of the power spreading in order to correctly size the future Tokamaks. This calls for a theoretical ground describing the way energy escapes the core plasma through the separatrix and deposits on the PFCs. Some theoretical and experimental studies attempt to achieve such a task, however no definitive conclusion have been drawn yet. To achieve this goal, numerical modelling is a necessary complement to experimental results. This PhD work has been dedicated to the study of the different aspects of the heat transport in the edge plasma using a numerical fluid approach. Special focus was devoted to two types of mechanisms suspected to play an important role in the heat transport: intermittent turbulence; the large-scale convective transport.

La fusion par confinement magnétique est prometteuse en tant que future source d’énergie. Son efficience est cependant limitée par le transport de particules et de chaleur résultant de la turbulence du plasma. Une compréhension approfondie de la turbulence et des mécanismes qui la tempère est donc nécessaire. Le mode géo-acoustique (GAM) est une oscillation de l’écoulement du plasma, radialement localisée, qui contribue à la réduction du transport turbulent en cisaillant le champ de vitesse. Dans cette thèse on étudie le comportement fondamental du GAM par une étude expérimentale systématique de ses propriétés dans le tokamak ASDEX Upgrade. En particulier, le rôle de la géométrie du plasma sur les lois d’évolution de la fréquence et de l’amplitude du GAM, ainsi que sa structure radiale sont étudiés en détail. Les données expérimentales ont été obtenues à l'aide du diagnostic de réflectométrie Doppler par micro-ondes. Le type d’évolution de la fréquence du GAM est comparé à de multiples modèles qui reproduisent la loi de comportement fondamental attendu, mais sans fournir de prédiction précise de manière satisfaisante. L'amplitude GAM est étudiée en relation avec les taux d'amortissement prédits par les modèles pour les processus d'amortissement collisionnel et Landau non collisionnel. On trouve que les effets de largeur d'orbite finie doivent être pris en compte et que les effets d'amortissement collisionnel ne peuvent pas être négligés. En étudiant la structure radiale du GAM, trois états distincts sont identifiés pour différentes conditions de plasma. Les transitions entre ces états sont observées en variant la géométrie du plasma / Magnetic confinement fusion is a promising candidate for a future energy source. Its efficiency is limited by particle and heat transport due to plasma turbulence. A thorough understanding of the turbulence and turbulence moderation mechanisms, is therefore needed. The geodesic acoustic mode (GAM) is a radially localised plasma flow oscillation which contributes to the reduction of turbulent transport through velocity shearing. This thesis investigates the fundamental behaviour of the GAM through a systematic experimental study of its properties in the ASDEX Upgrade tokamak. In particular, the role of the plasma geometry on the scaling of the GAM frequency and amplitude, as well as the GAM radial structure are investigated in detail. The experimental data was obtained with the aid of the microwave Doppler reflectometry diagnostic. The GAM frequency scaling is compared with multiple models which reproduce the expected fundamental scaling behaviour, but do not give a satisfyingly accurate prediction. The GAM amplitude is studied in connection with damping rates predicted by models for collisional and collisionless Landau damping processes. It is found that finite orbit width effects need to be considered and that collisional damping effects cannot be neglected. In studying the GAM radial structure, three distinct states are identified for different plasma conditions. Transitions between these states are observed under variations of the plasma geometry

La turbulence au sein d’un plasma contribue de manière significative à l’augmentation du transport de l’énergie et des particules. Ce transport diminue la qualité de confinement du plasma réduisant la possibilité d’atteindre le seuil de fusion. Notre travail a consisté à étudier et à mesurer l’évolution des caractéristiques de la turbulence ainsi que son rôle durant la transition d’un mode à faible confinement (L-mode) à un mode de confinement amélioré (H-mode) des plasmas du tokamak ASDEX Upgrade. Nous avons, en particulier, étudié la phase de transition intermédiaire (I-phase) où la turbulence et le cisaillement des structures turbulentes par les flux interagissent. Une des théories prévoit que la turbulence au bord du plasma est stabilisée par des gradients de champs électriques radiaux: le cisaillement de flux E×B stabilise la turbulence et diminue la taille radiale des structures. Le mécanisme physique détaillé de la formation de la barrière de transport n’est pas encore bien compris. Afin d’étudier la dynamique radiale et temporelle de la transition L-H, nous nous sommes servis d’un réflectomètre à balayage en fréquence ultra-rapide. Durant nos campagnes expérimentales nous sommes parvenus à réduire ce temps de balayage à 1 μs. La dynamique de densité électronique, du niveau de turbulence et des spectres lors des transitions L-H ont été réalisées. Les mesures montrent que le niveau des fluctuations de grande échelle diminue après une transition L-H, ce qui confirme les prédictions théoriques. La I-phase a été documentée pour diverses conditions du plasma. Enfin, ces réflectomètres ont aussi permis l’observation de modes cohérents à haute fréquence au bord du plasma / Plasma confinement is limited by energy and particle transport, in which turbulence plays an important role. In this work the measurements of the turbulence characteristics carried out on the ASDEX Upgrade tokamak are presented during the transition from the Low (L) to the High (H) confinement mode which goes through an Intermediate (I) phase where turbulence and shear flows strongly interact. One of the most widely accepted theories concerning the L-H transition describes how the turbulence in the plasma edge is stabilized by radial electric field gradients: the E×B flow shear stabilizes turbulence and decreases the radial size of turbulent structures. As a consequence, a transport barrier forms in the edge where the plasma density, the temperature, and their gradients increase. The detailed physical mechanism of the formation of the transport barrier as well as the reason for the residual transport across this barrier are not yet well understood. The density dynamics is measured by an ultra-fast swept reflectometer with a time resolution as high as 1 μs. Studies of the electron density profile dynamics, the density turbulence level, radial wavenumber and frequency spectra during L-H transitions have been performed. The reflectometer measurements show that the density large scale fluctuations decrease after an L-H transition, which confirms the theoretical predictions of the turbulence reduction by sheared flows and supports previous experimental evidences. I-phases for various plasma conditions are documented and the density evolution is compared with the turbulence level. Moreover the results on high frequency coherent modes appearing at the plasma edge are presented.

La reconnexion magnétique est un mécanisme fondamental de conversion d'énergie dans le plasma. Il se déroule dans les régions minces de fort courant appelées couches de courants, et produit le chauffage et l accélération des particules. Dans un milieu turbulent, la reconnexion magnétique a été observée dans de petites structures qui se forment dans celui-ci, et on a postulé que cela contribue de façon importante la dissipation de l'énergie turbulente l'échelle cinétique. Pour ce travail, nous examinons les données des satellites Custer dans la magnétogaine de la Terre, en aval du choc quasi-parallèle. La détection des couches de courant d'échelle ionique a été réalisé par l'application de la méthode de la variance partielle des incréments (PVI) pour des satellites multiples. Les proprietées des couches de courant observées étaient différentes pour des valeurs de l'indice PVI élevées(PV I > 3) et bas (PV I < 3). Nous avons observé une population distincte de haut indice PVI (> 3) structures qui représentaient ~ 20% du total. Ces couches de courant ont une rotation du champ magnétique élevée (> 90o). Afin d'estimer le chauffage local survenant dans ces couches de courant, une estimation de la température des électrons a été obtenue à haute résolution temporelle (125ms) parles distributions d'électrons partielles mesurées par Cluster. Cela a permis pour la première fois d'étudier le chauffage d'électrons localisés dans les couches de courant d'échelle ionique. L'augmentation observée de la température des électrons estimée dans les couches de courant aux PVI élevées suggèrent qu'ils sont importants pour le chauffage local d'électrons et de dissipation d'énergie. Nous avons également examiné les mesures l'intérieur de la région de diffusion d'une couche de courant o la reconnexion magnétique est en cours. Les observations simultanées par des satellites multiples permettent aussi d'étudier les distributions d'électrons et l'activité des ondes à des distances différentes de la ligne x. Des différences significatives ont été observées dans les populations d'électrons comme ils ont été chauffés en passant par la couche de courant. En particulier, les électrons sont chauffés dans la direction parallèle au champ magnétique proximité de la ligne x, alors qu'aucune variation significative n'a été observée dans la direction perpendiculaire. Cependant,la distribution est plus isotrope en aval de la ligne x, chauffées par des électrons dans la direction perpendiculaire. / Magnetic reconnection is a fundamental energy conversion process in plasma. It occurs in thin regions of strong current known as current sheets and results in particle heating and acceleration. In turbulence, which is ubiquitous in space plasma, magnetic reconnection has been observed to occur in small scale structures that form therein, and is thought to contribute to dissipation of turbulent energy at kinetic scales. For this work we examine data from the Cluster spacecraft in the Earth's magnetosheath, downstream of the quasi-parallel shock. The detection of ion-scale current sheets was performed by implementing the PartialVariance of Increments (PVI) method for multiple spacecraft. The properties of the observed current sheets were different for high (> 3) and low (< 3) values of the PVI index. We observed a distinct population of high PVI (> 3) structures that accounted for ~ 20% of the total. Those current sheets have high magneticshear (> 90degrees). In order to estimate the local heating occurring within those current sheets, a proxy of the electron temperature was obtained at high time resolution(125ms) from the partial distributions measured by Cluster. This allowed for the first time to study the localized electron heating within ion-scale currentsheets. The observed enhancement of the estimated electron temperature withinthe high PVI current sheets suggest that they are important for local electron heating and energy dissipation. We also examined measurements inside the diffusion region of a thin reconnecting current sheet. Multi-spacecraft observationsallow as to study electron distributions and wave activity at different distances from the x-line. Significant differences were observed in the electron populations as they were heated going through the current sheet. In particular electrons were heated in the direction parallel to the magnetic field in close proximity to thex-line, whereas no significant variation was observed in the perpendicular direction. However, the distribution was more isotropic downstream of the x-line with electrons heated in the perpendicular direction.

Les impulsions laser femtosecondes produisent des phénomènes non linéaires extrêmes dans la matière, conduisant à une forte émission de rayonnement secondaire qui couvre un domaine en fréquence allant du terahertz (THz) aux rayons X et gamma. De nombreuses applications utilisent la bande de fréquences terahertz (0.1-100 THz) afin de sonder la matière (spectroscopie, médecine, science des matériaux). Ce travail est dédié à l'étude théorique et numérique du rayonnement THz généré par interaction laser-plasma. Comparé aux techniques conventionnelles, ces impulsions laser permettent de créer des sources THz particulièrement énergétiques et à large bande. Notre objectif a donc été d'étudier ces régimes d'interaction relativiste, encore peu explorés, afin d'optimiser l'efficacité de conversion du laser vers les fréquences THz. L'étude de l'interaction laser-gaz en régime classique nous permet, d'abord, de valider un modèle de propagation unidirectionnelle prenant en compte la génération d'impulsion THz et de le comparer à la solution exacte des équations de Maxwell. Ensuite, en augmentant l'intensité laser au-delà du seuil relativiste, nous simulons à l'aide d'un code PIC une onde plasma non linéaire dans le sillage du laser, accélérant ainsi des électrons à plusieurs centaines de MeV. Nous montrons que le mécanisme standard des photocourrants est dominé par le rayonnement de transition cohérent induit par les électrons accélérés dans l'onde de sillage. La robustesse de ce rayonnement est ensuite observée grâce à une étude paramétrique faisant varier la densité du plasma sur plusieurs ordres de grandeur. Nous démontrons également la pertinence des grandes longueurs d'ondes laser qui sont à même de déclencher une forte pression d'ionisation, ce qui augmente la force pondéromotrice du laser. Enfin, les rayonnements THz émis à partir d'interactions laser-solide sont examinés dans le contexte de cibles ultra fine, mettant en lumière les différents processus impliqués. / Femtosecond laser pulses trigger extreme nonlinear events inmatter, leading to intense secondary radiations spanning the frequency rangesfrom terahertz (THz) to X and gamma-rays.This work is dedicated to the theoretical and numerical study of THz radiationgenerated by laser-driven plasmas. Despite the inherent difficulty in accessingthe THz spectral window (0.1-100 THz), many coming applications use theability of THz frequencies to probe matter (spectroscopy, medicine, materialscience). Laser-driven THz sources appear well-suited to provide simultaneouslyan energetic and broadband signal compared to other conventional devices. Ourgoal is to investigate previously little explored interaction regimes in orderto optimize the laser-to-THz conversion efficiency.Starting from classical interactions in gases, we validate a unidirectionalpropagation model accounting for THz pulse generation, which we compare to theexact solution of Maxwell's equations. We next increase the laser intensityabove the relativistic threshold in order to trigger a nonlinear plasma wave inthe laser wake, accelerating electrons to a few hundreds of MeV. We show thatthe standard photocurrent mechanisms is overtaken by coherent transitionradiation induced by wakefield-accelerated electron bunch. Next, successivestudies reveal the robustness of this latter process over a wide range of plasmaparameters. We also demonstrate the relevance of long laser wavelengths inaugmenting THz pulse generation through the ionization-induced pressure thatincreases the laser ponderomotive force. Finally, THz emission from laser-solidinteraction is examined in the context of ultra-thin targets, shedding light onthe different processes involved.

La réduction fluide des équations cinétiques est un procédé couramment utilisé en physique des plasmas qui a pour objectif de remplacer la fonction de distribution définie dans l'espace des phases par des grandeurs fluides comme la densité et la pression. Cette réduction diminue la complexité du système initial. En contrepartie, la réduction fluide s'accompagne de la nécessité d'effectuer une fermeture sur les moments d'ordre supérieur. Celle-ci est souvent construite ad hoc en se basant sur des arguments physiques (e.g., quantités conservées, existance d'un théorème H, ...). Dans ce manuscrit, on propose un procédé de réduction qui permet de préserver la structure hamiltonienne du modèle cinétique parent. Ceci est important pour assurer qu'aucune dissipation d'origine non physique est introduite dans le modèle fluide, le munissant ainsi d'une structure hamiltonienne dont l'origine peut être suivie jusqu'à celle de la dynamique microscopique des particules. On utilise cette méthode pour construire des modèles fluides non-adiabatiques pour les trois premiers moments de la fonction de distribution associée à l'équation de Vlasov-Poisson à une dimension, i.e., la densité, la vitesse fluide et la pression. Les résultats sont ensuite étendus pour inclure la dynamique du flux de chaleur en considérant des fermetures construites à partir de l'analyse dimensionnelle. On montre également, pour un nombre arbitraire de champs, la relation existant avec le modèle water-bags. L'extension à des dimensions supérieures est étudiée dans le cadre de l'équation drift-cinétique ainsi que de l'équation de Vlasov-Poisson à trois dimensions. / Fluid reduction of kinetic equations is a ubiquitous procedure in plasma physics which aims to replace the distribution function defined in phase space with more concrete fluid quantities defined solely in configuration space such as the density, the fluid velocity and the pressure. This reduction lowers the complexity of the initial system, leading to a gain of physical insight into the phenomena under investigation as well as a significant decrease of the cost of numerical simulations. On the other hand, in order for the fluid reduction to be complete, one needs to perform a closure on the higher order fluid moments. The choice of the closure usually relies on some ad hoc physical arguments (e.g., conserved quantities, existence of an H-theorem, ...). In this manuscript, we present a reduction procedure that preserves the Hamiltonian structure of the parent kinetic model. This is important in order to ensure that no non-physical dissipation is introduced in the resulting fluid model, providing it with a geometric structure that can be traced back to the microscopic dynamics of the particles. We use this procedure to derive non-adiabatic fluid models for the first three fluid moments of the distribution function of the one dimensional Vlasov-Poisson equation, namely the density, the fluid velocity and the pressure. The results are extended to include the dynamics of the heat-flux by considering a closure based on dimensional analysis. For an arbitrary number of fields, we demonstrate the relationship with the water-bags model. Finally, the extension to higher dimensions is investigated through the drift-kinetic equation and the three dimensional Vlasov-Poisson equation.