Un des objectifs majeurs des systèmes de communication est de pouvoir transmettre des données aux plus hauts débits possibles. La demande croissante des utilisateurs pour la communication sans fil à haut débit excède déjà les possibilités des réseaux actuels. Afin de répondre à cette problématique, nous présentons des systèmes de communication basés sur des fréquences porteuses térahertz (THz), fréquences suffisamment élevées pour supporter des débits supérieurs à la centaine de gigahertz. En particulier, nous nous intéressons au développement et à l'intégration d'un détecteur haut débit destiné à la communication THz sans fil. Nous utilisons comme détecteur un transistor GaAs à haute mobilité électronique (HEMT). Contrairement aux détecteurs existants tels que les diodes Schottky, le transistor étudié offre des avantages en ce qui concerne le coût, la compacité et les performances. En particulier, l'impédance de sortie est mieux adaptée aux circuits intégrés hauts débits d'impédance d'entrée de 50 Ohm. Nous présentons une caractérisation de ce détecteur en sensibilité et en bande passante de modulation, démontrant pour la première fois sa capacité à être utilisé pour des communications à haut débit. L'intégration du transistor, indispensable à la réalisation de communications réelles, est détaillée. Une communication THz sans fil est démontrée à des fréquences de 0,200 THz et 0,309 THz. Pour la première fois, une transmission de données sans erreur a été démontrée jusqu'à un débit de 8,2 Gbps avec un transistor GaAs HEMT à une fréquence porteuse de 0,309 THz. Enfin, nous présentons de nouveaux transistors avec antenne intégrée permettant des communications à plus haut débit et de plus grande portée, grâce à une meilleure sensibilité. / One of the major objectives of communication systems is the ability to transmit data at the highest possible rates. The ever-growing user demand for wireless communication already exceeds capacities of present networks.In order to solve this problem, we introduce communication systems based on terahertz (THz) high-frequency carriers, whose frequencies are high enough to support data-rates higher than a hundred of gigahertz. In particular, we are interested in the development and the integration of a high data-rate detector intended for THz wireless communication.We use a GaAs High-electron-mobility transistor (HEMT) as detector. Unlike existing detectors such as Schottky diodes, the transistor studied in this thesis offers advantages in terms of cost, compactness and performances. In particular, the output impedance is more suitable for high data-rate integrated circuits whose input impedance is 50 Ohm. We present the characterization of the detector in terms of sensitivity and modulation bandwidth, demonstrating for the first time its ability to be used for high data-rate communications. The transistor's integration, essential for real communications, is detailed.A wireless THz communication is demonstrated around 0.200 THz and 0.309 THz. For the first time, an error-free transmission at data-rates up to 8.2 Gbps is demonstrated, using a GaAs plasma wave HEMT and a 0.309 THz carrier frequency. Finally, we present new transistors with integrated antenna, allowing communications at higher data-rates and with a longer range, thanks to a better sensitivity.

<p>This thesis discusses the reasons for space exploration and space science. Space plasma physics is identified as an essential building block to understand the space environment and it is argued that observation and analysis of space plasma waves is an important approach.</p><p>Space plasma waves are the main actors in many important processes. So-called broadband waves are found responsible for much of the ion heating in the auroral region. We investigate the wave properties of broadband waves and show that they can be described as a mixture of electrostatic wave modes. In small regions void of cold electrons the broadband activity is found to be ion acoustic waves and these regions are also identified as acceleration regions. The identification of the wave modes includes reconstructions of the wave distribution function. The reconstruction technique allow us to determine the wave vector spectrum, which cannot be measured directly. The method is applied to other wave events and it is compared in some detail with a similar method.</p><p>Space plasma wave are also sensitive tools for investigations of both the fine-structure and the dynamics of space plasmas. Studies of whistler mode waves observed in the boundary layer on the magnetospheric side of the magnetopause reveal that the plasma is organized in tube-like structures moving with the plasma drift velocity. The perpendicular dimension of these tubes is of the order of the electron inertial length. We present evidence that each tube is linked to a reconnection site and argue that the high density of tube-like structures indicates patchy reconnection.</p>

This thesis discusses the reasons for space exploration and space science. Space plasma physics is identified as an essential building block to understand the space environment and it is argued that observation and analysis of space plasma waves is an important approach. Space plasma waves are the main actors in many important processes. So-called broadband waves are found responsible for much of the ion heating in the auroral region. We investigate the wave properties of broadband waves and show that they can be described as a mixture of electrostatic wave modes. In small regions void of cold electrons the broadband activity is found to be ion acoustic waves and these regions are also identified as acceleration regions. The identification of the wave modes includes reconstructions of the wave distribution function. The reconstruction technique allow us to determine the wave vector spectrum, which cannot be measured directly. The method is applied to other wave events and it is compared in some detail with a similar method. Space plasma wave are also sensitive tools for investigations of both the fine-structure and the dynamics of space plasmas. Studies of whistler mode waves observed in the boundary layer on the magnetospheric side of the magnetopause reveal that the plasma is organized in tube-like structures moving with the plasma drift velocity. The perpendicular dimension of these tubes is of the order of the electron inertial length. We present evidence that each tube is linked to a reconnection site and argue that the high density of tube-like structures indicates patchy reconnection.

Afin de générer des plasmas performants sur de longues durées, un tokamak nécessite des dispositifs de chauffage et de génération de courant additionnels. Des antennes haute-fréquences, délivrant des puissances de plusieurs mégawatts au plasma, sont actuellement utilisées dans de nombreux tokamaks. Pour optimiser les performances de chauffage et de génération de courant obtenues avec le système LH (fréquence de quelques gigahertz), une bonne maitrise du couplage de l'onde émise par l'antenne au plasma de bord est nécessaire. Or, des effets non-linéaires dépendant du niveau de puissance HF injectée dans le plasma perturbent fortement le couplage de l'onde LH pour certains paramètres de bord (densité et température en particulier). Les travaux présentés dans ce manuscrit portent sur l'étude du couplage linéaire et non-linéaire de l'onde LH au plasma de bord. Dans le cadre de l'installation d'une antenne dite « Passive Active Multijunction » en 2009 sur le tokamak Tore Supra visant à tester le système LH proposé pour ITER, la caractérisation du couplage obtenu avec cette antenne a été réalisée à partir d'expériences menées à basse puissance sur Tore Supra. Les résultats, analysés conjointement avec l'utilisation d'un code de couplage (ALOHA), ont ainsi validé les prédictions théoriques prévoyant de bonnes propriétés de couplage à des densités de plasma de bord faibles. Par ailleurs, l'effet pondéromoteur a été clairement identifié comme responsable de la forte détérioration du couplage de l'onde mesurée sous certaines conditions de plasma de bord. / In order to achieve long pulse operation with a tokamak, additional heating and current drive systems are necessary. High frequency antennas, which deliver several megawatts of power to the plasma, are currently used in several tokamaks. Moreover, a good control of the coupling of the wave launched by the antenna to the edge plasma is required to optimize the efficiency of heating and current drive LH systems. However, non-linear effects which depend on the level of injected power in the plasma strongly damage the coupling of the LH wave at particular edge parameters (density and temperature profiles). Results presented in the manuscript deal with the study of the linear and non-linear coupling of the LH wave to the plasma. In the framework of the commissioning of the Passive Active Multijunction antenna in 2009 on the Tore Supra tokamak aiming at validating the LH system suggested for ITER, the characterisation of its coupling properties was realized from low power experiments. The experimental results, which are compared with the linear coupling code ALOHA, have valided the theoretical predictions of good coupling at edge plasma density around the cut-off density. Besides, the ponderomotive effect is clearly identified as responsible for the deterioration in the coupling of the wave, which is measured under particular edge plasma conditions. A theoretical model combining the coupling of the LH wave with the ponderomotive force is suggested to explain the experimental observations.

Submitted by Claudinei Pracidelli (cpracide@ipen.br) on 2016-06-22T12:34:18Z No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2016-06-22T12:34:18Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Dissertação (Mestrado em Tecnologia Nuclear) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

La spectroscopie de bruit quasi-thermique est une méthode précise de déterminat-ion de la densité et de la température dans les plasmas spatiaux. Lorsqu'une antenne électrique est immergé dans un plasma, elle est capable de mesurer les fluctuations électrostatiques provoquées par le mouvement thermique des particules de plasma. Ces fluctuations sont détectées par la densité de puissance spectrale aux bornes de l'antenne, en observant un spectre à des fréquences comparables à la fréquence plasma électronique aussi bien pour les électrons que pour les protons, car le signal du proton est fortement décalé Doppler vers des fréquences plus élevées en raison de la vitesse de dérive du vent solaire. En plus d'induire le champ électrique fluctuant, une partie des électrons impactent sur la surface de l'antenne, ce qui provoque des perturbations de son potentiel électrique. Le signal provoqué par cette population est directement proportionnelle au flux d'électrons du plasma impactant l'antenne et est dominante si l'antenne a une grande surface. Dans ce travail, nous utilisons la théorie de l'orbite limite pour calculer le flux de particules impactantes pour un plasma non thermique décrit par fonction de distribution de vitesses $kappa$ ou Lorentzienne, communément mesurée dans le vent solaire. L'augmentation de la collecte de particules par des objets cylindriques et sphériques est quantifié et présenté en tant que fonction du potentiel électrostatique de surface et de la fraction des particules supra-thermique. La prise en compte de ces résultats théoriques est absolument nécessaire pour des mesures précises des paramètres du plasma à chaque fois que le bruit d'impact est l'élément dominant dans le spectre de puissance. Ceci est le cas pour STEREO, car les bruit d'impact est dominant pour cette sonde, en raison de la présence d'antennes courtes et épaisses. L'étude approfondie des données sur cette mission est motivée par le fait que ses analyseurs d'électrons sont défectueux depuis le lancement et aucune information sur les électrons thermiques n'est disponible. Les résultats obtenus sont vérifiés en comparant avec les résultats de Wind, montrant une bonne concordance entre les valeurs mesurées par les deux satellites. Les incertitudes des mesures sont déterminées par les incertitudes des instruments utilisés et sont estimés à environ $40%$. Le résultat final de ce travail sera l'établissement d'une base de données des moments d'électrons pour les deux sondes STEREO A et B qui couvriront toute la durée de la mission. Dans une seconde partie de la thèse, nous utilisons l'approche cinétique pour étendre la théorie du bruit quasi-thermique à des plasmas où les collisions des électrons avec les neutres jouent un rôle dominant. Cette technique permet de mesurer la densité et la température des électrons, et aussi la fréquence des collisions en tant que paramètres indépendants. Ceci est obtenu sur une large gamme de fréquences aussi bien en dessous qu'au dessus de la fréquence plasma, pour peu que le rapport entre la fréquence de collision et fréquence de plasma ne soit pas inférieur à 0.1. Les résultats présentés ici peuvent potentiellement être appliqués avec succès dans les plasmas de laboratoire et ionosphères non magnétisés, tandis que pour l'ionosphère de la Terre leur utilisation est limitée aux fréquences basses à cause de la présence d'un champ magnétique fort. / The quasi-thermal noise spectroscopy is an accurate method of determination of density and temperature in space plasmas. When an electric antenna is immersed into a plasma, it is able to measure electrostatic fluctuations caused by the thermal motion of plasma particles. These fluctuations are detected as the power spectral density at the antenna terminals, observing a spectrum at frequencies comparable to the electron plasma frequency for both electrons and protons, since the proton signal is strongly Doppler-shifted towards higher frequencies due to the solar wind drift velocity. Beside inducing the fluctuating electric field, some of the electrons are impacting the antenna surface, causing disturbances of the antenna electric potential. The signal caused by this population is directly proportional to the flux of plasma electrons impacting the antenna and is dominant if the antenna has a large surface area. In this work, we use the orbit limited theory to calculate the incoming particle flux for a non-thermal plasma described by $kappa$ velocity distribution function, commonly measured in the solar wind. The increase in the particle collection by cylindrical and spherical objects is quantified and presented as a function of the surface electrostatic potential and the fraction of supra-thermal particles. Including these results into the theory has turned out to be absolutely necessary for accurate measurements of the plasma parameters whenever the shot noise is the dominant component in the power spectrum. This is the case for STEREO because the impact noise is overwhelming on this probe, due to the presence of short and thick antennas. The comprehensive study of data on this mission is motivated by the fact that the electron analyzers are malfunctioning since launch and no information on thermal electrons is available. Results obtained are verified by comparing with the results from Wind, showing a good match between the values measured by the two spacecraft. Uncertainties of the measurements are determined by the uncertainties of the instruments used and are estimated to be around $40%$. The final outcome of this work will be establishing a database of the electron moments in both STEREO A and B that will be covering the entire duration of the mission. In the second part of the thesis, we use the kinetic approach to expand the theory of the quasi-thermal noise to plasmas where electron-neutral collisions play a dominant role. This technique is able to measure the electron density, temperature and the collision frequency as independent parameters using the wide frequency range both below and above the plasma frequency, if the ratio of the collisional to plasma frequency is not smaller than 0.1. The results presented here have can be potentially applied in laboratory plasmas and unmagnetized ionospheres, while at the ionosphere of Earth their use is limited to low frequencies due to the presence of the magnetic field.

Submitted by Claudinei Pracidelli (cpracide@ipen.br) on 2016-06-22T12:34:18Z No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2016-06-22T12:34:18Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / O entendimento dos mecanismos de degradação que agem sob os nanocompósitos poliméricos frente ao intemperismo (luz UV, calor, oxigênio, chuva ácida, entre outros), é o ponto chave para o desenvolvimento de novos aditivos e novas aplicações. Para este trabalho a síntese do nanocompósito foi realizada no estado fundido, utilizando-se uma extrusora de dupla rosca. A matriz polimérica utilizada foi o HMS-PP (polipropileno com alta resistência do fundido) sintetizado por irradiação gama e a argila Montmorilonita. Para melhor compatibilização entre a matriz e a nanocarga, foi utilizada o agente compatibilizante andrido maléico. Para os ensaios de envelhecimento ambiental e acelerado em estufa, os corpos de prova foram confeccionados por meio de termoprensagem. A caracterização dos efeitos da adição de argila e do envelhecimento nos nanocompósitos, presupôs o emprego das técnicas de ensaios mecânicos, Calorimetria Diferencial Exploratória (DSC), Termogravimetria (TGA), Espectroscopia no Infravermelho por Transformada de Fourier (FT-IR), Espectrometria de Fluorescêcia de Raios X por Dispersão de Comprimento de Onda (WDXRF), Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), Índice de Fluidez (IF), Difração de Raios-X (DRX) e Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS). Foram ensaiadas amostras com 0,1; 1; 3; 5 e 10% de argila. A amostra com porcentagem de 5% de argila demonstrou uma melhor estabilidade frente ao ensaio de envelhecimento ambiental e no envelhecimento acelerado em estufa. Por outro lado na amostra com maior porcentagem de argila (10%) ocorreu o inverso, sob ensaio ambiental houve maior degradação e sob envelhecimento acelerado em estufa, manteve-se resistente até 56 dias de envelhecimento. Nas porcentagens estudas (menor que &le; 3%) de argila, pode-se constatar um equilíbrio entre o efeito barreira da argila e a ação dos íons metálicos que aceleram o processo degradativo. / Dissertação (Mestrado em Tecnologia Nuclear) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

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.

This thesis addresses solitary waves and their significance for auroral particle acceleration, coronal heating and incoherent scatter radar spectra. Solitary waves are formed due to a balance of nonlinear and dispersive effects. There are several nonlinearities present in ideal magnetohydrodynamics (MHD) and dispersion can be introduced by including theHall termin the generalised Ohm’s law. The resulting system of equations comprise the classical ideal MHD waves, whistlers, drift waves and solitarywave solutions. The latter reside in distinct regions of the phase space spanned by the speed and the angle (to the magnetic field) of the propagating wave. Within each region, qualitatively similar solitary structures are found. In the limit of neglected electron intertia, the solitary wave solutions are confined to two regions of slow and fast waves, respectively. The slow (fast) structures are associated with density compressions (rarefactions) and positive (negative) electric potentials. Such negative potentials are shown to accelerate electrons in the auroral region (solar corona) to tens (hundreds) of keV. The positive electric potentials could accelerate solar wind ions to velocities of 300–800 km/s. The structure widths perpendicular to themagnetic field are in the Earth’s magnetosphere (solar corona) of the order of 1–100 km (m). This thesis also addresses a type of incoherent scatter radar spectra, where the ion line exhibits a spectrally uniform power enhancement with the up- and downshifted shoulder and the spectral region in between enhanced simultaneously and equally. The power enhancements are one order of magnitude above the thermal level and are often localised to an altitude range of less than 20 km at or close to the ionospheric F region peak. The observations are well-described by a model of ion-acoustic solitary waves propagating transversely across the radar beam. Two cases of localised ion line enhancements are shown to occur in conjunction with auroral arcs drifting through the radar beam. The arc passages are associated with large gradients in ion temperature, which are shown to generate sufficiently high velocity shears to give rise to growing Kelvin-Helmholtz (K-H) instabilities. The observed ion line enhancements are interpreted in the light of the low-frequency turbulence associated with these instabilities. / Denna avhandling handlar om solitära vågor och deras roll i norrskensacceleration och koronaupphettning, samt deras signatur i spektra uppmätta med inkoherent spridningsradar. Solitära vågor bildas genom en balans mellan ickelinjära och dispersiva effekter. Ickelinjäriteter finns det gott om i ideal magnetohydrodynamik (MHD) och dispersion kan införas genom att inkludera Halltermen i den generaliserade Ohms lag. Det resulterande ekvationssystemet omfattar de klassiska vågorna inom ideal MHD, visslare, driftvågor och solitära vågor. De sistnämnda återfinns i väldefinierade områden i fasrummet som spänns upp av farten och vinkeln (mot magnetfältet) för den propagerande vågen. Inom varje sådant område återfinns kvalitativt lika solitära våglösningar. Om man försummar elektronernas tröghet begränsas de solitära våglösningarna till två områden med långsamma respektive snabba vågor. De långsamma (snabba) strukturerna är associerade med täthets-kompressioner (förtunningar) och positiva (negativa) elektriska potentialer. De negativa potentialerna visas kunna accelerera elektroner i norrskensområdet (solens korona) till tiotals (hundratals) keV medan de positiva potentialerna accelererar solvindsjoner till hastigheter på 300–800 km/s. Strukturbredderna vinkelrät mot magnetfältet är i jordens magnetosfär (solens korona) av storleksordningen 1–100 km (m). Denna avhandling tar även upp en typ av inkoherent spridningsradarspektra, där jonlinjen uppvisar en spektralt uniform förstärkning. Detta innebär att den upp- och nedskiftade skuldran och spektralbandet däremellan förstärks simultant och i lika hög grad. Effektförstärkningen är en storleksordning över den termiska nivån och är ofta lokaliserad till ett höjd-intervall av mindre än 20 km nära jonosfärens F-skiktstopp. Observationerna beskrivs väl av en modell med solitära vågor som propagerar transversellt genom radarstrålen. Två fall av lokaliserade jonlinjeförstärkningar visas sammanfalla med att norrskensbågar driver genom radarstrålen. I samband med bågarnas passage uppmäts stora gradienter i jontemperatur, vilket visas skapa tillräckligt kraftiga hastighetsskjuvningar för att Kelvin-Helmholtz-instabiliteter ska tillåtas växa. De observerade jonlinjeförstärkningarna tolkas i skenet av den lågfrekventa turbulensen som är kopplad till dessa instabiliteter.

Electron holes are positively charged nonlinear structures in which trapped electrons are supported by a positive electrostatic potential. These structure are regularly observed in space and laboratory plasmas by means of diverging bipolar electric field signatures. Recent observations and simulations have shown that fast moving electron holes can generate electromagnetic whistler waves via Čerenkov emission. The fast moving positive charge correspond to localised currents which can potentially excite waves. The aim of the project is to study both theoretically and numerically the properties leading to the Čerenkov emission of whistler waves by three-dimensional electron holes. In addition, efforts are dedicated to the derivation of a model providing the properties of emitted whistlers. The model is compared with the observational features of electromagnetic whistler waves generated by electron holes.