京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(エネルギー科学) / 甲第21888号 / エネ博第389号 / 新制||エネ||75(附属図書館) / 京都大学大学院エネルギー科学研究科エネルギー基礎科学専攻 / (主査)教授 岸本 泰明, 教授 中村 祐司, 教授 田中 仁 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Energy Science / Kyoto University / DFAM

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'astrophysique de laboratoire. Nous abordons divers aspects de la physique des chocs non-collisionels en présence de flots de plasma relativistes dans des configurations d'intérêt pour les communautés astrophysique et de l’interaction laser-plasma (ILP). Notre approche repose sur la modélisation analytique et la simulation cinétique haute-performance, outil central pour décrire les processus d'ILP et la physique non linéaire à l'origine des chocs étudiés. Le code Particle-in-Cell SMILEI a été largement utilisé et développé au cours ce travail. Trois configurations physiques sont étudiées. L’instabilité Weibel en présence de faisceaux d'électrons contre-propagatifs alignés avec un champ magnétique externe est décrite. Les phases linéaires et non linéaires sont expliquées à l’aide de modèles théoriques confirmés par des simulations. La génération de chocs non-collisionels lors de l’interaction de deux plasmas relativistes de paires est étudiée en présence d’un champ magnétique perpendiculaire. L’accent est mis sur la comparaison des prédictions théoriques sur les grandeurs macroscopiques avec les simulations, ainsi que sur la définition du temps de formation du choc, l’ensemble de ces grandeurs étant d’une grande importance pour de futures expériences. Enfin, nous proposons un schéma permettant de recréer, en laboratoire, l’instabilité Weibel ionique par l'utilisation d'un laser intense. Les flots de plasmas produits ici sont plus rapides et denses que dans les expériences actuelles, conduisant à un taux de croissance et des champs magnétiques plus élevés. Ces résultats sont également important pour l’ILP à très haute intensité. / The work presented in this thesis belongs to the general framework of Laboratory Astrophysics. We address various aspects of the physics of collisionless shocks developing in the presence of relativistic plasma flows, in configurations of interest for the astrophysical and the laser-plasma interaction (LPI) communities. The approach used throughout this thesis relied on both analytical modeling and high-performance kinetic simulations, a central tool to describe LPI processes as well as the non-linear physics behind shock formation. The PIC code SMILEI has been widely used and developed during this work. Three physical configurations are studied. First we consider the Weibel instability driven by two counter-streaming electron beams aligned with an external magnetic field. The linear and non-linear phases are explained using theoretical models confirmed by simulations.Then the generation of non-collisional shocks during the interaction of two relativistic plasma pairs is studied in the presence of a perpendicular magnetic field. We focus on the comparison of theoretical predictions for macroscopic variables with the simulation results, as well as on the definition and measurement of the shock formation time, all of which are of great importance for future experiments.Finally, we proposed a scheme to produce, in the laboratory, the ion-Weibel-instability with the use of an ultra-high-intensity laser. The produced flows are faster and denser than in current experiments, leading to a larger growth rate and stronger magnetic fields. These results are important for the LPI at very high intensity.

The solar wind is a supersonic flow of protons and electrons emitted in all directions from the sun. As the supersonic solar wind encounters Earth’s magnetic field, it creates the Earth’s bow shock, which increases the kinetic entropy of electrons passing through it. In this study, the aim is to analyze shock crossings of Earth’s bow shock in order to draw conclusions of which shock parameters that are important forkinetic entropy generation. Due to knowledge gained from an earlier study by M. Lindberg et al. [1], the shock crossings of interest in this study are quasi-perpendicular shocks with a low electron plasma beta. The data used is measured with the NASA MMS spacecraft and accessed through IRF Uppsala. As a result,a database with 13 shock crossings was created and the entropy change was related to, among other parameters, temperature and density change, shock angle, Alfv´en Mach number, ion ram pressure and upstream magnetic field. We found that a highAlfv´en Mach number related nearly proportionally to a large change in electron entropy for low electron plasma beta quasiperpendicularcollisionless shock crossing. / Solvinden består av protoner och elektroner som emitteras ut från solen i alla riktningar med enorma hastigheter. När dessa partiklar, med en hastighet som överstiger signalhastigheten, träffar Jordens magnetfält uppstår Jordens bågchock. Bågchocken ökar den kinetiska entropin hos elektroner som färdas genom den. För den här studien är målet att analysera chockkorsningar vid Jordens bågchock för att kunna dra slutsatser om vilka chockparametrar som är viktiga för generering av kinetisk entropi. Till följd av en tidigare studie av M. Lindberg et al. [1] är det endast kvasi-vinkelräta chockkorsningar med ett lågt plasma beta som denna studie avser. Den uppmätta datan erhålls från NASAs MMS satelliter och kan nås genom IRF Uppsala. Resultatet blev en databas med 13 chocker där entropiförändringen plottades mot bl. a. temperaturoch densitetsändring, chockvinkel, Alfve´n Machtal, jontrycket och magnetfältet uppströms. Det upptäcktes då att ett högt Alfve´n Mach-tal indikerade på en stor entropiökning hos kollisionslösa, kvasi-vinkelräta chockkorsningar med låga elektronplasmabeta. / Kandidatexjobb i elektroteknik 2022, KTH, Stockholm