A pulsed Electron Cyclotron Maser (E. C. M.) was developed and used to generate high power mm-waves in the W-band (75-110GHz) and the G-band (150-220GHz) frequency ranges. The relativistic electron beam (R. E. B.) was produced from a field-immersed, field-emission, cold cathode. A shaped anode cavity was designed for the optimum cavity Q, resonant frequencies, relative mode density, reflection coefficients and mode conversion in the output coupler. Two pulsed conventional field coils were used; coil#1 (maximum B-field : 9T) produced the uniform intra-cavity magnetic field and coil#2 (maximum B-field : 1T) acted as a cathode field tuning coil. The addition of the cathode tuning coil increased the useful output energy in any pulse by a factor of =400. Four diagnostics were used to determine the characteristics of the maser; 1) direct uncalibrated power monitoring, 2) calibrated frequency measurements (made using a quasi-optical diffraction grating spectrometer), 3) near field radiation pattern measurements and 4) calibrated absolute power measurements (made using a thermopile calorimeter). The following characteristics of the maser oscillation were identified: in the W-band, single mode oscillation in the TE03 mode was observed, centred at 95.2GHz, with an output power of =50kW. The cavity was crudely step-tunable with the excitation of the TE13 mode at 81.4GHz and the TE12 mode at 88.OGHz. In the G-band, multi-mode oscillation was observed at all values of the intra-cavity magnetic field. With the increased mode density at these frequencies, the maser was quasi-continuously tunable and 200GHz oscillation was observed. These results proved to be self-consistent with the device-dependent calculations used to design the system and the general E. C. M. theory developed previously.

Lors du fonctionnement d'un réacteur de fusion nucléaire par confinement magnétique comme ITER, une fraction de tritium est piégée par les composants face au plasma et doit être mesurée pour des raisons de sureté nucléaire. La spectroscopie de plasma induit par laser est proposée pour effectuer cette mesure. Le plasma laser produit sur des tuiles de Tore Supra en composite à fibre de carbone est analysé à l'aide d'une étude paramétrique : il doit avoir une température supérieure à 10000 K et une densité électronique supérieure à 10^17 cm^-3 pour optimiser l'application. Une méthode "autocalibrée" prenant en compte l'auto-absorption des raies est utilisée pour déterminer la concentration relative d'hydrogène à partir des spectres expérimentaux. La caractérisation spatio-temporelle du panache d'ablation révèle la présence d'un gradient de température dirigé du centre vers la périphérie du plasma. La prise en compte de ce gradient permet de déduire le rapport des concentrations H/C. L'incertitude de la mesure est évaluée et discutée. La mesure du rapport isotopique D/H sous pression réduite d'argon met en évidence un effet de ségrégation qui doit être pris en compte afin d'éviter des erreurs de mesure de l'ordre de 50%. Les matériaux à base de tungstène sont analysés et les difficultés associées aux données spectroscopiques sont abordées. Enfin, la faisabilité de l'analyse LIBS résolue en profondeur est validée pour des échantillons métalliques multicouches préalablement étalonnés. / During the operation of a nuclear fusion device like the future reactor ITER, a fraction of tritium is trapped in the plasma facing components and has to be measured in order to fulfill nuclear safety requirements. Laser-induced breakdown spectroscopy is proposed to achieve this measurement. The laser plasma produced on carbon fibre composite tiles from the Tore Supra reactor is analyzed via a parametric study : it has to have a temperature over 10000 K and an electron density over 10^17 cm^-3 to optimize the application. A calibration-free procedure that takes into account self-absorption is proposed to determine the relative concentration of hydrogen from the experimental spectra. The time- and space-resolved spectral emission of the plasma plume is investigated and reveals the presence of a temperature gradient from the core towards the periphery. This gradient is taken into account and the H/C concentration ratio is deduced. The accuracy of the results is evaluated and discussed. The study of the D/H isotopic ratio under low pressure argon reveals the presence of plume segregation that leads to an error of about 50%, error that can partially be reduced. Tungsten materials are investigated and difficulties related to spectroscopic databases are discussed. Finally, the feasibility of LIBS analysis with depth resolution is validated for multilayered metallic samples.

L'étude de l'allumage d'un mélange gazeux combustible/comburant est d'un intérêt fondamentale et d'une importance cruciale dans les moteurs à combustion interne et dans les turbines à gaz. Une nouvelle méthode d'allumage, récemment utilisée, consiste à créer une étincelle par focalisation d'un faisceau laser.<br />L'objectif du présent travail est d'effectuer une étude paramétrique de ce mode d'allumage pour des mélanges en phases liquides dispersées et gazeuses, ainsi que d'apporter une contribution à la compréhension des phénomènes physiques liés au claquage optique, aussi bien dans l'air que dans les mélanges inflammables. Les plasmas rencontrés sont caractérisés, en termes de concentrations et de températures électroniques, avant d'aborder l'étude paramétrique du claquage dans l'air et de l'allumage des mélanges gazeux et diphasiques inflammables. L'importance de la dynamique induite par l'étincelle laser sur l'évolution de la structure et de la forme du noyau d'allumage est considérée. Le rôle des aberrations, et en particulier de l'aberration sphérique, est soigneusement étudié du point de vue théorique. Des conclusions importantes sur l'interprétation des résultats expérimentaux sont dégagées. La détermination des seuils de claquage, ainsi que l'identification des processus déterminants, sont analysés à la lumière d'un modèle basé sur la détermination de l'évolution de la concentration d'électrons libres dans le volume focal. Finalement, la faisabilité de l'allumage laser à la sortie d'un injecteur prévaporisé, prémélangé en régime pauvre est démontrée.

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Dans le cadre de cette thèse, un nouveau dispositif expérimental pour la mesure du dépôt d'energie d'ions carbone au maximum du pouvoir d'arrêt dans un plasma généré par laser a été développé et testé avec succès. Dans ce domaine de paramètres où la vitesse du projectile est de l'ordre de grandeur de la vitesse thermique des électrons libres du plasma, l'incertitude théorique sur le pouvoir d'arrêt peut atteindre 50%. Or à l'heure actuelle, aucune donnée expérimentale ne permet de vérifier et de tester les différentes prédictions. Une discrimination des théories existantes du pouvoir d'arrêt est cependant essentielle pour la Fusion par Confinement Inertiel et particulièrement pour comprendre le chauffage du combustible par les particules alpha dans la phase d'allumage. Pour la première fois, des mesures précises du dépôt d'énergie des ions ont été effectuées dans une configuration expérimentale reproductible et entièrement caractérisée. Celle-ci consiste en un faisceau d'ions entièrement ionisé interagissant avec un plasma entièrement ionisé et homogène. Le plasma a été généré par l'irradiation d'une cible mince de carbone avec deux faisceaux laser à haute énergie et présente une température électronique maximale of 200 eV. Les paramètres du plasma ont été simulés à l'aide d'un code hydrodynamique radiatif bi-dimensionel, tandis que la distribution de charge du faisceau d'ions a été estimée avec un code Monte-Carlo qui décrit les processus d'échange de charge des ions dans le plasma. Pour sonder le plasma au maximum du pouvoir d'arrêt, un faisceau d'ions pulsé à haute fréquence a été freiné à une énergie de 0.5 MeV par nucléon. Le dépôt d'énergie des ions a été déterminé via une mesure de temps de vol à l'aide d'un détecteur à base de diamant produit par dépôt chimique en phase vapeur, protégé contre les radiations émises par le plasma. Une première campagne expérimentale a été conduite pour exploiter le nouveau dispositif, dans laquelle le dépôt d'énergie a été mesuré avec une précision inférieure à 200 keV. Cela a permis, grâce à la connaissance des paramètres du plasma et du faisceau d'ions, de tester différentes théories de pouvoir d'arrêt de manière fiable. Une analyse préliminaire des résultats montre que le dépôt d'énergie au maximum du pouvoir d'arrêt est plus faible qu'il n'a été prédit par la plupart des théories, et en particulier par les théories des perturbations. / In the frame of this thesis, a new experimental setup for the measurement of the energy loss of carbon ions at maximum stopping power in a hot laser-generated plasma has been developed and successfully tested. In this parameter range where the projectile velocity is of the same order of magnitude as the thermal velocity of the plasma free electrons, large uncertainties of up to 50% are present in the stopping-power description. To date, no experimental data are available to perform a theory benchmarking. Testing the different stopping theories is yet essential for inertial confinement fusion and in particular for the understanding of the alpha-particle heating of the thermonuclear fuel. Here, for the first time, precise measurements were carried out in a reproducible and entirely characterized beam-plasma configuration. It involved a nearly fully-stripped ion beam probing a homogeneous fully-ionized plasma. This plasma was generated by irradiating a thin carbon foil with two high-energy laser beams and features a maximum electron temperature of 200 eV. The plasma conditions were simulated with a two-dimensional radiative hydrodynamic code, while the ion-beam charge-state distribution was predicted by means of a Monte-Carlo code describing the charge-exchange processes of projectile ions in plasma. To probe at maximum stopping power, high-frequency pulsed ion bunches were decelerated to an energy of 0.5 MeV per nucleon. The ion energy loss was determined by a time-of-flight measurement using a specifically developed chemical-vapor-deposition diamond detector that was screened against any plasma radiation. A first experimental campaign was carried out using this newly developed platform, in which a precision better than 200 keV on the energy loss was reached. This allowed, via the knowledge of the plasma and of the beam parameters, to reliably test several stopping theories, either based on perturbation theory or on a nonlinear T-Matrix formalism. A preliminary analysis suggests that the energy deposition at maximum stopping power is significantly smaller than predicted, particularly, by perturbation approaches. / Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neuer experimentelle Aufbau für die Messung des Energieverlusts von Kohlenstoff-Ionen bei maximalem Bremsvermögen in einem lasererzeugtem Plasma entwickelt und getestet. In diesem Parameterbereich, wo die Projektilgeschwindigkeit nah der thermischen Geschwindigkeit der Plasmaelektronen liegt, weist die theoretische Beschreibung des Bremsvermögens erheblichen Unsicherheiten bis 50% auf. Ausserdem sind bisher keine experimentellen Daten verfügbar, um die theoretischen Vorhersagen zu testen. Eine Bewertung der verschiedenen Theorien des Bremsvermögens ist jedoch von grosser Bedeutung für die Trägheitsfusion und insbesondere für das Verständnis der Heizung des Fusionsbrennstoffs mittels Alpha-Teilchen. Zum ersten Mal wurden präzisen Messungen in einer reproduzierbaren und vollständig bekannten Strahl-Plasma Einstellung durchgeführt. Sie besteht in einem vollionisierten Ionenstrahl, der mit einem homogenen und vollionisierten Plasma wechselwirkt. Das Plasma wurde von der Bestrahlung einer dünnen Kohlenstofffolie mit zwei hochenergetischen Laserstrahlen erzeugt, und weist eine maximale Elektronentemperatur von 200 eV auf. Die Plasmaparameter wurden mithilfe eines zweidimensionalen radiativen hydrodynamischen Codes simuliert, während die Ladungsverteilung des Ionenstrahls wurde mit einem Monte-Carlo Code berechnet, der die Umladungsprozesse von Projektilionen im Plasma beschreibt. Um das Plasma bei maximalem Bremsvermögen zu untersuchen, wurde ein hoch-Frequenz gepulster Ionenstrahl zu einer Energie von 0.5 MeV pro Nukleon heruntergebremst. Der Ionenenergieverlust wurde mit der Flugzeitsmethode mit einem gegen Plasmastrahlung abgeschirmten CVD-Diamant-Detektor gemessen. Eine erste experimentelle Kampagne wurde mit dem neuen Aufbau durchgeführt, in der eine Messungspräzision besser als 200 keV auf dem Energieverlust erreicht wurde. Dies ermöglichte, mit der Kenntnis der Plasma- und Strahlparameter, mehreren Bremsvermögen-Theorien zuverlässig zu testen und zu vergleichen. Eine vorläufige Datenanalyse zeigt, dass die Energiedeposition bei maximalem Bremsvermögen ist kleiner, als insbesondere von den störungstheoretischen Ansätzen vorhergesagt wurde.