La diffusion Compton inverse est l’interaction entre un photon et un électron de haute énergie. Il en résulte l’émission d’un nouveau photon d’énergie supérieure à celle du photon incident suivant la trajectoire de l’électron. Ces propriétés rendent possible la création d’une source de rayonnement X hautement directive, monochromatique accordable dans une large gamme spectrale. Il suffit d’accélérer les électrons sur quelques mètres pour leur faire gagner l’énergie minimale requise. Les photons proviennent d’une chaîne laser fortement amplifiée. Une telle source est donc relativement compacte, peu couteuse à mettre en oeuvre et facilement accessible aux utilisateurs. Elle est particulièrement adaptée aux besoins des musées ou des hôpitaux pour des applications comme l’analyse d’oeuvres historiques ou la radiothérapie. L’objectif de cette thèse est de mettre en oeuvre une source de rayonnement X par diffusion Compton inverse en bout de ligne de l’accélérateur ELSA (Electrons et Laser, Sources X et applications). L’installation ELSA comprend un accélérateur linéaire d’électrons appartenant à la Direction des Applications Militaires du Commissariat à l’Energie Atomique à Bruyères-le-Châtel (CEA DAM). Le but est de produire des impulsions de rayonnement X ultra-courtes dans une gamme énergétique allant de 10 à 100 keV. Elle servira notamment à la caractérisation de détecteurs à réponse ultra-rapide développés à la DAM. Un système optique destiné à augmenter le flux de rayonnement X produit a été développé. Il consiste à replier la trajectoire du laser pour empiler les impulsions au point d’interaction. Dans le même but, une mise à niveau de l’installation à été réalisée afin d’augmenter l’énergie des électrons de 18 à 30 MeV. Les résultats expérimentaux ont enfin été comparés aux résultats obtenus à l’aide de simulations PIC 3D. / X-ray sources based on inverse Compton scattering process produce tunable near-monochromatic and highly directive X-rays. Recent advances in laser and accelerator technologies make the development of such very compact hard X-ray sources possible. These sources are particularly attractive in several applications such as medical imaging, cancer therapy or culture-heritage study, currently performed in size-limited infrastructures. The main objective of this thesis is the development of an inverse Compton scattering source on the ELSA linac of CEA at Bruyères-le-Châtel as a calibration tool for ultra-fast detectors.A non-resonant cavity was designed to multiply the number of emitted X-ray photons. The laser optical path is folded to pile-up laser pulses at the interaction point, thus increasing the interaction probability. Another way of optimizing the X-ray yield consists in increasing the electron bunch density at the interaction point, which is strongly dependent on the electron energy. A facility up-grade was performed to increase the electron energy up to 30 MeV. The X-ray output gain obtained thanks to this system was measured and compared with calculated expectations and 3D PIC simulations.

La consommation mondiale d'énergie a fortement augmenté durant le siècle dernier et va continuer de croître au cours des prochaines décennies. Le développement d'énergies durables et alternatives aux énergies fossiles constitue un enjeu crucial pour les générations futures. Dans ce contexte, la fusion thermonucléaire contrôlée serait un candidat de premier choix pour assurer la transition énergétique. Le tokamak, basé sur la fusion par confinement magnétique, est actuellement la solution la plus en vue pour contrôler la réaction de fusion et utiliser cette énergie à des fins civiles.Dans les plasmas de tokamak, les impuretés lourdes comme le tungstène présent dans les éléments de la paroi face au plasma, peuvent migrer vers le plasma de cœur et fortement dégrader les performances fusion par rayonnement. L’objectif de cette thèse est d’utiliser ce rayonnement dans la gamme des X-mous afin d’en déduire des informations sur le transport du tungstène dans le plasma de cœur. Le but est de contrôler à terme cette concentration en impuretés et d’identifier les actuateurs pouvant agir sur cette distribution. / Global energy consumption has increased significantly during the last century and will continue to grow in the coming decades. The development of sustainable energies alternative to fossil fuels is a crucial issue for the future generations. In this context, controlled thermonuclear fusion is a good candidate for the energy transition. Magnetic confinement fusion and tokamaks are currently the most promising solution to control the fusion reaction and use it for civil purposes.In tokamak plasmas, heavy impurities such as tungsten sputtered from plasma-facing components can migrate to the core plasma and strongly degrade fusion performance by radiation. The goal of this PhD thesis is to use this radiation in the soft X-ray range in order to obtain valuable information on tungsten transport in the core plasma. The final perspective is to control the impurity concentration and identify actuators that can act on this distribution.

Cette thèse expérimentale est consacrée à l’optimisation d’une source de rayons X Kalpha générée par interaction laser femtoseconde à fort contraste temporel avec une cible épaisse en molybdène. Ce travail vise à explorer l’effet du contraste temporel sur l’émission Kalpha sur une gamme d’intensité combinant les deux régimes relativiste et non-relativiste. La première étude est consacrée à l’évolution de l’émission Kalpha en fonction du contraste temporel et de l’intensité. L’étude a révélé différents comportements de l’émission Kalpha suivant la valeur du contraste et d’intensité. L’étude a aussi montré une émission Kalpha indépendante du contraste dans le régime relativiste. Au regard des travaux de la littérature, nous avons proposé une première interprétation des résultats obtenus. Il s’agit d’établir un lien entre l’émission Kalpha et les mécanismes d’absorption de l’énergie laser. Certains mécanismes sont dépendants de l’angle d’incidence. Afin d’appuyer notre interprétation, une deuxième étude du rendement de la source Kalpha en fonction de l’angle d’incidence a été réalisée. Ainsi les résultats obtenus sont en accord avec certaines de nos conclusions. En outre, Nous nous sommes intéressés à l’effet de l’étirement temporel de l’impulsion. Nous avons observé une sensibilité de l’émission suivant le signe du chirp. Enfin, nous avons étudié l’effet du contraste et de l’intensité sur la taille de la source X. Celle-ci est d’autant plus réduite que le contraste est plus fort et devient très proche de la tache focale laser à faible intensité laser. Le rendement de production en photon Kalpha atteint est de 2 × 10^−4, similaire au meilleur rendement reporté à ce jour. / This thesis is focused on the optimization of a Kalpha x-ray source induced by high contrast femtosecond laser molybdenum thick target interaction. The objective of this work is to explore the effect of the temporal contrast ratio on Kalpha emission in an intensity range including the non relativistic and relativistic regimes. The first study consists of the measurement of Kalpha emission as a function of contrast ratio and intensity. The study shows different behaviors of the emission depending on the contrast ratio and intensity range. Furthermore, it was found that in the relativistic regime Kalpha production is independant of the contrast ratio. According to published work in litterature, we proposed a first intepretation of the obtained results. In particular, we discuss the absorption mechanism of laser pulse energy for each contrast ratio and intensity condition. Some of the mechanisms are dependant on the angle of incidence of the pulse on target. Thus, to verify the validity of our interpretation, we study the Kalpha effciency as a function of the angle of incidence. Most of the results agree with our first conclusions. Furthermore, we investigate the effect of the chirped pulse of the Kalpha emission. It is shown that Kalpha emission is sensitive to the sign of the chirp. Finally, we performed a study on the effect of contrast ratio and intensity on the x-ray source size. It was observed that high contrast ratio decreases strongly the x-ray source size which aproaches the focal spot size at low laser intensity. High Kalpha efficiency is reached 2 × 10^−4 which is similar to the highest effciency reported to date in litterature for a thick molybdenum target.

Les matériaux dits de conversion à base de Sb et Sn, utilisés comme électrodes, apparaissent comme des composés particulièrement intéressants compte tenu de leur forte capacité théorique. Le matériau TiSnSb a été récemment développé en tant qu’électrode négative pour batteries lithium-ion. Ce matériau est capable d’accueilir, de façon réversible, 6,5 Li par unité formulaire, ce qui correspond à une capacité spécifique de 580 mAh/g. Dans le domaine des batteries lithium-ion, les propriétés de l’interface électrode/électrolyte (« solid electrolyte interphase », SEI), formant une couche de passivation protectrice à la surface des électrodes sont considérées comme essentielles pour les performances au sens large des batteries. Cet aspect représente le sujet majeur traité dans ce travail de thèse. Dans cet optique, nous avons tout d'abord étudié les propriétés électrochimiques de l'électrode TiSnSb sous divers aspects, dont les effets du régime de cyclage, l’influence de la nature des additifs au sein de l’électrolyte ainsi que l’utilisation de liquides ioniques à température ambiante (RTILs). En particulier, un système d'électrolyte à base de RTILs a été développé et optimisé vis-à-vis des performances électrochimiques. Afin de caractériser l’interface électrode-électrolyte, deux techniques de caractérisation majeures ont été utilisées : la Spectroscopie Photoélectronique à Rayonnement X (XPS) et la Spectroscopie d'Impédance électrochimique (EIS). Cette étude a permis de cibler certains paramètres essentiels liant les aspects performances électrochimiques à la nature de l’interface électrode-électrolyte. / In the past decades, the need for portable power has accelerated due to the miniaturization of electronic appliances. It continues to drive research and development of advanced energy systems, especially for lithium ion battery systems. As a consequence, conversion materials for lithium-ion batteries, including Sb and Sn-based compounds, have attracted much intense attention for their high storage capacities. Among conversion materials, TiSnSb has been recently developed as a negative electrode for lithium-ion batteries. This material is able to reversibly take up 6.5 Li per formula unit which corresponds to a specific capacity of 580 mAh/g. In the field of lithium-ion battery research, the solid electrolyte interphase (SEI) as a protective passivation film formed at electrode surface owing to the reduction of the electrolyte components, has been considered as a determinant factor on the performances of lithium-ion battery. Thus it has been a focused topic of many researches. However, little information can be found about the formation and composition of the SEI layer formed on TiSnSb conversion electrode at this time. With the aim to investigate the influences of the SEI layer on the performances of composite TiSnSb electrode, we first studied the electrochemical properties of the electrode from various aspects, including the effects of cycling rates, electrolyte additives, as well as room temperature ionic liquids (RTILs). Especially, a RTILs-based electrolyte system was developed and optimized by evaluating its physicochemical properties to be able to further improve the performances of TiSnSb electrode. In order to characterize the SEI layer formed at electrode surface, we performed X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). This study allowed to target some essential parameters concerning electrochemical performances linked with the nature of the solid electrolyte interphase.*

Ce travail de Thèse est lié à l'émergence d'un nouvel axe scientifique de recherche : la science X ultrarapide. La recherche effectuée dans les communautés des lasers intenses et des accélérateurs (synchrotrons) met en évidence une nouvelle génération d'outils associés au rayonnement X, les sources X ultrabrèves. Ces nouvelles sources de durée d'impulsion d'une centaine de femtosecondes (1 fs = 10e-15 s) devraient avoir un impact formidable, par exemple, dans l'étude de la dynamique atomique qui est actuellement limitée à plusieurs dizaines de picosecondes (1 ps = 10e-12 s). Cette thèse présente la première expérience d'application de ces sources X ultrabrèves qui utilisent le rayonnement X produit par l'interaction d'un laser intense avec une cible solide (source laser/plasma). La transition de phase solide/liquide ultrarapide d'un semi conducteur a été mise en évidence et caractérisée à l'aide de la technique de diffraction X résolue en temps. L'analyse des résultats expérimentaux a été effectuée à l'aide d'un modèle simple de l'interaction laser semi conducteur reposant sur une extrapolation du modèle de Drude pour un régime à haute densité de porteurs (10e22 /cm3).

Les sources XUV cohérentes présentent un potentiel important d'applications scientifiques, médicales et industrielles. Le développement des lasers ultra intenses a permis la réalisation de nouvelles sources XUV cohérentes et brèves, comme la génération d'harmonique d'ordre élevée et les lasers XUV. Ces sources sont compactes, peu coûteuses par rapport aux sources classiques telles que les synchrotrons, et présentent donc un intérêt tout particulier.<br /><br />Cette thèse présente une série d'études sur une nouvelle source laser XUV, pompée par un laser femtoseconde fonctionnant à 10 Hz. Un laser ultra intense est focalisé dans une cellule remplie de xénon ou de krypton et crée une colonne de plasma. Une émission laser à 41,8 nm dans le xénon IX ou à 32,8 nm dans le krypton IX est alors obtenue sur l'axe du laser de pompe. Nous avons réalisé une étude à la fois expérimentale et numérique de ce type de source dans le but de caractériser l'importance de différents paramètres tels que l'intensité et polarisation du laser, la pression du gaz et la longueur de la cellule. Cette thèse présente aussi une étude des profils spatiaux et temporels de l'émission laser.<br /><br />Afin de compenser la réfraction du laser de pompe, nous avons utilisé deux techniques de guidage qui ont permis un allongement significatif de la zone amplificatrice du plasma. La première repose sur la création d'un canal plasma par décharge électrique et la deuxième sur les réflexions sur les parois internes de tubes diélectriques de saphir ou de verre. Dans les deux cas une amélioration spectaculaire des performances de la source a été observée.<br /><br />Finalement, nous présentons dans ce manuscrit une étude préliminaire sur un autre schéma de pompage de laser X: par photo ionisation en couches internes d'atomes neutres. Nous avons développé un système optique qui devrait permettre la réalisation d'une onde inhomogène femtoseconde absolument nécessaire pour ce type de laser X.

Cette thèse est centrée sur la mesure et l'interprétation du rayonnement X mou ([1 keV; 15 keV] environ) dans les Tokamaks. Le chapitre 2 montre que ce rayonnement véhicule des informations sur la température et la densité du plasma, sur sa configuration magnétique, et sur son contenu en impuretés. Malheureusement les mesures effectuées sont intégrées spatialement et spectralement et résultent des contributions de tous les ions présents.Le diagnostic X mou de Tore Supra s'articule autour de diodes semi-conductrices présentée dans le chapitre 3 aux côté d'un détecteur à gaz testé avec succès. Une nouvelle méthode de détermination de la réponse spectrale d'un photodétecteur n'utilisant qu'un tube X mou portable est également décrite.Les inversions tomographiques, qui permettent d'accéder au champ d'émissivité reconstruit dans une section poloidale, font l'objet du chapitre 4. Les améliorations apportées à un algorithme particulier sont détaillées.Une comparaison systématique entre les positions horizontales du maximum d'émissivité et de l'axe magnétique est présentée au chapitre 5.Le chapitre 6 décrit une hypothèse concernant la résilience de la fonction de rayonnement X mou d'une impureté vis-à-vis du transport de cette impureté. Cette hypothèse permet de déduire la densité d'une impureté de son émissivité X mou. Les processus physiques justifiant cette hypothèse, ainsi que leur domaine de validité sont analysés avec soin.Le chapitre 7 présente les asymétries poloidales d'émissivité X mou. Les premiers résultats d'expériences mises en oeuvres à ASDEX-U pour vérifier les dépendences paramétriques de deux types particuliers d'asymétries sont détaillés. / This thesis focuses on measuring and interpreting the Soft X-Ray (SXR) radiation (approximately [1 keV; 15 keV]) in Tokamaks.As explained in Chapter 2, this radiation conveys information about the plasma density, temperature, magnetic equilibrium and impurity content. However, the measured data is spectrally and spatially-integrated and results from several physical phenomena affecting every ion species. Tore Supra's SXR diagnostics is based on semiconductor diodes presented in Chapter 3, along with a new gas detector successfully tested in laboratory and on Tore Supra. A new methodology for absolute spectral characterisation of photo detectors using a portable SXR tube is presented. Tomographic inversion algorithms, that grant access to reconstructions of the SXR emissivity field in a poloidal cross-section, are presented in Chapter 4. Improvements implemented on one particular algorithm are detailed with examples of application. A comparison between the position of the SXR emissivity maximum and the magnetic axis reconstructed by an equilibrium code is presented in Chapter 5.Chapter 6 presents an approach used to derive an impurity density from its SXR emissivity using the robustness of its SXR cooling factor with respect to impurity transport. The physics accounting for this robustness is studied and a first map of the domain of validity of this method is provided. Chapter 7 addresses poloidal asymmetries of the SXR emissivity field. Two types of asymmetries are presented as well as experiments conducted on ASDEX-U to verify their parametric dependences. A new type of SXR asymmetry, observed on Tore Supra is introduced.