Le milieu interstellaire est un élément essentiel des galaxies. Il est en effet la matrice de la formation des étoiles et des planètes. Il est composé de gaz et de poussières interstellaires. Il est généralement admis que la présence de molécules organiques complexes (COM) est due aux réactions en phase gazeuse. Toutefois, la synthèse de certaines espèces clés (i.e. H2,H2O, CO2, etc.) nécessite l'intervention des réactions en phase solide c'est à dire sur les grains de poussière. Plus de 200 molécules, dont des COM, ont été détectées dans l'ISM. et les enveloppes circumstellaires. Certaines de ces COM contiennent déjà du carbone, de l'oxygène, et de l'azote, qui sont les principaux éléments chimiques de la composition des molécules à partir desquelles la vie terrestre s'est construite. L'objectif de cette thèse est de comprendre les processus physiques et chimiques (diffusion, désorption et réactivité) qui se produisent sur les grains de poussière interstellaire. Plus spécifiquement, ma thèse se concentre sur l’étude de la désorption et de la réactivité des espèces azotées qui peuvent mener à des COM par des processus liés à l'hydrogénation. Toutes les expériences ont été réalisées avec l'expérience VENUS située au laboratoire LERMA à l'université de Cergy Pontoise, France. VENUS est composée d'une chambre à ultra-vide (UHV), appelée chambre principale, dotée d'une pression de base d'environ 10-10 mbar. Des atomes/molécules sont dirigées vers un porte-échantillon dans la chambre UHV au moyen d'un système à quatre faisceaux séparés. La température du porteéchantillon peut être contrôlée entre 7 K à 400 K. Les produits sont sondés par spectrométrie de masse et spectroscopie infrarouge par réflexion en adsorption. Différents environnements ont été utilisés : surface d'or ou substrats de glace d'eau (glace amorphe compacte ou poreuse et glace cristalline) pour imiter les différents environnements astrophysiques. Nous avons procédé à des expériences impliquant certains atomes et molécules comme l'hydrogène, le deutérium, l'oxygène, le CO, N2, NO, H2O, H2O, H2CO, CH3CN et CH3NC. Ces espèces ont été déposées sur une surface froide maintenue à 10 K (et jusqu'à 40 K). CO et N2 ont été déposés sur des substrats de glace d'eau pour étudier les différents comportements des adsorbats ainsi que la distribution des énergies de désorption et le mécanisme de ségrégation. Nous avons étudié l'efficacité de la pénétration des atomes (oxygène et hydrogène) dans la glace d'eau poreuse. Nous avons utilisé le NO comme traceur chimique. A partir de l'analyse de la consommation de NO, nous avons estimé la pénétration des atomes O ou D à travers la glace d'eau poreuse. Nous avons procédé à de nouvelles expériences sur l'hydrogénation du NO et nous avons constaté qu'il existe une barrière d'activation à l'étape HNO + H. Cependant, les atomes H peuvent traverser cette barrière d'activation par effet tunnel sur une surface maintenue à 8 K. Nous avons montré que l'hydroxylamine (NH2OH) est le principal produit de l'hydrogénation du NO à basse température, mais que le N2O est le principal produit à haute température. Nous présentons également les voies chimiques possibles de formation du formamide (NH2CHO) , molécule clé de la chimie pré-biotique, par co-hydrogénation de NO et de H2CO sur une surface froide (typiquement à 10 K). Nous avons analysé et montré l'efficacité de cette voie de formation du formamide sur les grains interstellaires. Nous avons montré que le réseau chimique de l'hydrogénation du CH3CN et du CH3NC est complexe et se fait par différents mécanismes qui sont en compétition. Nous avons mesuré et montré que l'hydrogénation est le mécanisme dominant. De plus, la présence de H2O augmente l'efficacité réactive. De nombreux processus chimiques en phase solide ont été simulés dans le contexte astrophysique de la formation de COM. / The interstellar medium is a key component of galaxies which is the matrixof the formation of stars and planets. It is composed of interstellar gas and dust grains. The presence of complex organic molecules (COMs) can be understoodvia reactions in the gas phase. However, the synthesis of some key species (i.e H2, H2O, CO2, etc) needs the intervention of the solid-state reactions on dust grains surface. More than 200 molecules including COMs have been detected in ISMand circumstellar shells. Some of these COMs already contain carbon, oxygen,and nitrogen, which are the main chemical elements in the composition of themolecules on which terrestrial life is built. The aim of this thesis is to understand physical and chemical processes (i.e diffusion, desorption, and reactivity) occurring on interstellar dust grains. More specifically, my thesis focuses on the investigation of desorption and reactivity of nitrogen bearing species that lead to COMs by hydrogenation related processes.All experiments were performed with the VENUS set-up located at the LERMACergy laboratory in the university of Cergy Pontoise, France. VENUS is composedof an Ultra High Vacuum (UHV) chamber, so called the main chamber, with abasis pressure around of 10 −10 mbar. Atoms/molecules were injected onto a sample holder in the UHV chamber through a separated four beamline system. The sample holder is controlled in temperature from 7 K to 400 K. Products are probed by using mass spectrometer and reflection adsorption infrared spectroscopy. Different solid states environments have been used: gold surface or water ice substrates (compact amorphous solid water, porous amorphous solid water, and crystalline ice) to mimic different the astrophysical environments.We proceeded experiments involving some atoms and molecules such as hydrogen,deuterium, oxygen, CO, N2, NO, H2O, H2CO, CH3CN, and CH3NC. These specieswere deposited on the cold surface held at 10 K (up to 40 K). CO and N2 weredeposited on water ice substrates to study different adsorbed behaviours as well as the distribution binding energy and the segregation mechanism. We studied theefficiency of atoms (i.e oxygen and hydrogen) penetration into porous water ice.We used NO as a chemical tracer for the penetration of O and H atoms throughwater ice. From the analysis of the consumption of NO, we estimated the penetra-tion of O or D atoms through porous water ice. We proceed new experiments onthe hydrogenation of NO and found that there is an activation barrier at HNO H step. However, H atoms can cross the activation barrier via quantum tunnelingon the cold surface maintained at 8 K. We indicated that hydroxylamine (NH2OH)is the major product of the hydrogenation of NO at low temperatures, but N2O isthe major product at high temperatures. We also present possible chemical path-ways of the pre-biotic formamide (NH2CHO) through the co-hydrogenation of NOand H2CO on the cold surface (typically at 10 K). Simultaneously, we analysedand discussed the efficient formation route of formamide on interstellar grains. We showed that the chemical network of the hydrogenation of CH3CN and CH3NC iscomplex and takes place via different mechanisms which tend to be competitive.We measured and indicated that the hydrogenation is the dominant mechanism.Furthermore, H2O is always raising the reactive efficiency.

Spectroscopic observations of cold and dense interstellar clouds show the presence of "dirty ice" mantles on dust grains, mainly composed by water molecules. These ices are enriched by the presence of other simple species that are either formed by surface reactions or accreted from the gas phase. While there is quite a general consensus that interstellar water ice is mainly amorphous, its morphology (porous or compact) still remains poorly known. Morphology is important due to its influence both on the catalytic efficiency of grain surfaces and on the release to the grain of the fraction of the formation energy of species, as shown by laboratory simulations of molecular hydrogen formation. Ice porosity may be identified through the weak infrared absorption features (~ 2.7 μm) showing the presence of dangling bonds on the pore surface. To our knowledge, there has been to date no detection of such absorptions in the infrared spectra of interstellar ices, perhaps suggesting that they may have a compact nature. It has been already investigated that interstellar porous ice may be compacted by the transient heating of stellar radiation and cosmic ray bombardment. In this thesis I report an experimental work, performed using FORMOLISM (the experimental apparatus at the University of Cergy-Pontoise - France), that shows relevant changes in the ice morphology following atomic hydrogen exposure. In particular, it is shown that a thin highly porous ice film is gradually changed into a more compact structure. This is probably due to the transient heating caused by the energy released to the ice during H2 formation. Such a process may also produce in the interstellar space compact amorphous ice mantles concurrently with the other envisaged processes. Moreover, I have experimentally analyzed the morphology of the just formed water ice. Analysing one of the possible mechanism of water formation (the pathway H + O2) under conditions mimicking those found in a molecular cloud, we have found that the water just synthesized has a non-porous structure. Indeed, the layers of water formed in this way show the kinetic characteristics typical of a compact (non-porous) ice, as for instance the D2 TPD peak position.

Nous présentons dans ce travail différentes configurations utilisées pour étudier des éxperiences, pertinentes d'un point de vue astrophysique, mettant en jeu des plasma produits par laser ainsi que des champs magnétiques intenses. les outils théoriques et numériques sont d'abord présentés avec la dérivation complète du modèle de magnétohydrodynamique (mhd) résistive à deux températures. nous décrivons aussi les nouveaux modules de physique implémentés au cours de cette thèse. la configuration de base utilisée pour notre travail consiste en une ou plusieurs cibles solides sur lesquelles un laser intense est envoyé dans le but de générer un plasma se propageant dans le vide. on montre que l'ajout d'un champ magnétique de plusieurs dizaines de teslas influence fortement la dynamique de ce plasma et que selon l'orientation initiale du champ, il est possible de générer différentes structures telles que des jets supersonic/superalfvenic ou encore des «crêpes» de plasma. par exemple, les jets ainsi produits sont caractérisés par des régimes tels que des lois d'échelles entre le système du laboratoire et le système astrophysique (jeunes étoiles connues sous le nom de t tauri) sont applicables. un sujet important et inédit traité dans cette thèse concerne la génération de chocs d'accrétion magnétisés en utilisant les jets mentionnés ci-dessus comme flots accrétant sur des cibles solides. nous mettons notamment l'accent, contrairement à la plupart des travaux précédents, sur la structure 3d de ces chocs et els instabilités présentes. pour chaque cas étudié, nous présentons des nouveaux résultats expérimentaux obtenus par notre collaboration sur le laser elfie du luli. / We present in this work different configurations used as a mean to study astrophysically-relevant (by scaling) experiments using laser-produced plasmas and strong magnetic fields. This work is a contribution to the relatively recent field known as high energy density laboratory astrophysics (hedla). The theoretical and numerical framework used in this this work is first introduced with a detailed derivation of the magnetohydrodynamic (mhd) model for bi-temperature and resistive plasmas. The three-dimensional mhd code gorgon and the new physical modules implemented during this thesis are presented. The basic setup studied here involve one or several solid slabs being used as targets for a joule-class laser. The expanding plasma thus produced is embedded in magnetic fields of strengths up to 40 t. Depending on the orientation of the field relative to the target surface, we show that the resulting plasma dynamic, relatively well described by ideal mhd, is strongly modified by the presence of the field. The first topic treated is related to the production, when the field is perpendicular to the target surface, of super-sonic/alfvenic jets relevant in the context of astrophysical jets observed around young star objects (t tauri stars). When the field is oriented parallel to the surface, we show that the configuration results in the formation of thin unstable plasma slabs. We also studied the possibility to generate magnetized accretion shocks in the laboratory and we detail the 3d structure obtained in this case. Alongise the numerical work, we present for each case mentioned previously, new experimental results obtained by the collaboration on the elfie laser facility (luli).

Cette thèse a été effectuée au sein de l’Institut de Physique de Rennes, et qui porte sur le transfert d’énergie rotationnelle lors des collisions de CO-Ar et CO-H2 à très basses températures pour des applications astrophysiques. Comprendre la constitution du milieu interstellaire (MIS), son évolution et ses propriétés physiques telles que la température et la densité, nécessite la connaissance de l’efficacité des collisions atomiques et moléculaires. Cette thèse expérimentale a été motivée par cet objectif. Le MIS et plus particulièrement les nuages moléculaires froids sont caractérisés par des températures très basses atteignant ~ -260 °C. Afin de reproduire ces conditions, on a utilisé la technique CRESU (Cinétique des Réactions en Ecoulement Supersonique Uniforme). Deux systèmes de collisions ont été étudiés : CO-Ar et CO-H2 pour leur impact dans les modèles astrophysiques (dits aussi modèles de transfert radiatifs). Une technique spectroscopique IR-VUV (Infrarouge-Ultraviolet dans le vide) en double résonance à base de lasers pulsés a été utilisée pour la détection et le diagnostic de l’efficacité des collisions et la détermination les constantes de collisions. Les résultats expérimentaux obtenus (pour la première fois) ont été comparés à des prédictions basées sur des calculs théoriques très avancés de mécanique quantique. Un très bon accord a été obtenu, ce qui a permis de tester et valider ces calculs théoriques d’un côté, et aussi de pouvoir fournir des constantes de collisions robustes qui vont être utilisées par les astrophysiciens pour modéliser et déterminer les propriétés physiques du MIS, ainsi qu’interpréter les spectres astrophysiques obtenus par des télescopes ou des satellites. / In the quest to understand the universe, astrophysicists observe and make models for astrophysical objects in the sky. The interstellar medium, ISM, in particular is of central importance since it represents the matter that exists in the space between stars in a galaxy, and in which stars and planets form. Understanding it, its constituents and its evolution and characteristics requires the quantification of several chemical and physical processes, including collision processes. In this work, we used the CRESU technique to reproduce very cold environments of astrophysical media, in particular dense molecular clouds in the ISM. We studied experimentally rotational energy transfer, RET, resulting from inelastic collisions at very low temperatures using a pump-probe laser-based spectroscopic technique for the purpose of measuring constants quantifying collisions. Two types of constants were determined: the first are total removal constants of RET resulting from a specific rotational quantum state to all possible final rotational quantum states, and the second are more detailed information consisting in rate constants from a specific rotational quantum state to another specific rotational quantum state, so-called state-to-state rate constants. Two experiments have been performed involving Carbone monoxide molecule, CO, as a target molecule of collisions. The first involves argon, Ar, as a projectile atom, and the second molecular hydrogen, H2, as a projectile molecule. Both collisional systems play an important role in a wide range of areas including gas-phase phenomena and astrophysical applications. In the first experiment, we investigated collisions between CO and Ar, from 293 K down to 30 K. IR-VUV double resonance technique has been exploited to measure, directly for the first time, absolute values of total removal and state-to-state constants of collisions. The experimental results have been compared to theoretical predictions based on a diatom-atom model of collision, where very good agreement was observed. In the second experiment, we investigated collisions between CO and H2 (the most abundant molecules in the ISM) from 293 K down to 5.5 K focusing on the very low temperatures of dense molecular clouds in the ISM. For the first time, total removal and state-to-state constants have been measured and compared to theoretical predictions of a highly accurate diatom-diatom model of collisions, where excellent agreement was observed. The results obtained in this thesis served to validate theoretical models of molecular collisions, helping the continuous efforts for pushing the frontiers of theoretical models. In the astrophysical side, the obtained collisional constants will be taken into account in modeling of many astrophysical media.

Le travail présenté dans cette thèse s’inscrit dans le domaine de l'astrophysique de laboratoire, qui consiste à étudier en laboratoire des processus physiques qui se produisent dans des objets astrophysiques. Les principaux avantages ici sont que les processus peuvent être étudiés de manière contrôlée et que leur dynamique complète peut être étudiée. Présentement, nous avons profité des installations laser à haute intensité pour effectuer nos études.Pour cela, dans ce manuscrit, seront traitées les questions liées à l'astrophysique de laboratoire qui impliquent l'interaction d’un plasma en détente dans le vide en présence d’un champ magnétique ambiant. La présence d'un champ magnétique dans une variété de phénomènes astrophysiques rend l’introduction de cette composante magnétique dans le laboratoire nécessaire afin que ces études soient pertinentes. Pour ce faire, en collaboration avec Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses -LNCMI, une bobine Helmholtz, spécialement conçue pour travailler dans un environnement laser a été développée, permettant d'atteindre une force de champ magnétique jusqu'à 30 T.Les objets astrophysiques sur lesquels cette étude est centrée sont les étoiles jeunes ou « Young Stellar Objects » (YSOs). Plusieurs étapes du processus de formation de ces étoiles seront ici étudiées : (i) la génération de jets collimatés à très grande échelle, (ii) la dynamique d'accrétion impliquant, dans la représentation standard, des flux de matière tombant sur la surface de l’étoile sous forme de colonnes magnétiquement confinées, et (iii) des canaux d'accrétion plus exotiques, comme l'accrétion équatoriale qui implique la propagation du plasma perpendiculairement aux lignes de champ magnétique.Plus précisément, dans un premier chapitre, la dynamique de formation des jets sera discutée. Une première partie est dédiée au mécanisme de formation de jet dans un champ magnétique poloïdal (aligné par rapport à l'axe principal d’expansion du plasma). Une seconde partie traite de la distorsion d'une telle formation de jet par l'interaction du même plasma en expansion avec un champ magnétique désaligné (c'est-à-dire présentant un angle par rapport à l'axe d’expansion du plasma). Enfin, une troisième partie détaille la propagation du plasma dans un champ magnétique perpendiculaire. Cette dernière partie nous permet d'étudier des canaux exotiques d'accumulation de matière sur les étoiles, consistant en une accrétion du disque d’accrétion directement vers l'étoile, c’est-à-dire sur le plan équatorial, impliquant une propagation orthogonale aux lignes de champ magnétiques. Le deuxième chapitre aborde le thème de la dynamique d'accrétion par l'intermédiaire de colonnes de matière magnétiquement confinées, tombant sur la surface stellaire. En utilisant la même configuration expérimentale que dans le premier chapitre, le jet formé (dans le cas du champ magnétique parfaitement aligné) est utilisé pour imiter la colonne d'accrétion et est lancé sur une cible secondaire qui agit comme la surface stellaire. La dynamique de choc à l'emplacement de l'obstacle est soigneusement étudiée et des liens avec les observations de phénomènes d’accrétion astrophysique sont construits. Un cocon de plasma, formé autour de la région d'impact via l'interaction avec le champ magnétique, est observé être similaire à celui trouvé dans les simulations astrophysiques. Ce cocon est un élément important en tant que milieu potentiel d'absorption des émissions X. Ce milieu permettrait en effet d'expliquer les écarts observés entre les émissions UV / optiques et les émissions X provenant des étoiles lors des phases d’accrétion. / The work that is presented here has been performed in the frame of laboratory astrophysics, which consists in studying in the laboratory physical processes occurring in astrophysical objects. The main advantages in doing so are that the processes can be studied in a controlled way and that their full dynamics can be investigated. Here, we have been taking advantage of high-intensity laser facilities to perform our studies.In this manuscript, will be treated issues that include the interaction of a plasma expanding into vacuum with an ambient magnetic field. The presence of a magnetic field in a variety of astrophysical phenomena makes the inclusion of this component in the laboratory of great interest. We have used for our study a split Helmholtz coil, specifically designed in order to work in a laser environment, that allows for reaching a magnetic field strength up to 30 T.The astrophysical objects on which this study is focused are Young Stellar Objects (YSOs). Several steps of the star formation process are here investigated: (i) the generation of very long range, bright jets, (ii) the accretion dynamic involving, in the standard representation, matter falling down on the star in the shape of magnetically confined columns, and (iii) more exotic accretion channels, as the equatorial accretion that implies propagation of plasma perpendicularly to magnetic field lines.More precisely, in a first chapter, the jet formation dynamic will be discussed. A first part is dedicated to the jet formation mechanism in a poloidal magnetic field (aligned with respect to the main plasma expansion axis). A second part is dealing with the distortion of such jet formation via the interaction of the same expanding plasma with a misaligned magnetic field (i.e. presenting an angle with respect to the plasma expansion axis). Finally, a third part details the propagation of the plasma within a perpendicular magnetic field. This last part allows us to investigate exotic channels of matter accretion onto the stars, consisting of equatorial accretion from the disk to the star, through orthogonal magnetic field lines. The second chapter addresses the topic of the standard accretion dynamic via magnetically confined columns of matter, falling down onto the stellar surface. Using the same experimental setup as in the first chapter, the formed jet (in the case of the perfectly aligned magnetic field) is used to mimic the accretion column, and is launched onto a secondary target that acts as the stellar surface. The shock dynamic at the obstacle location is carefully studied and links with astrophysical accretion observations are built. A plasma cocoon, shaped around the impact region via the interaction with the magnetic field, is found to be similar to the one found in astrophysical simulations. This cocoon is an important element as a potential X-ray absorptive medium in order to explain observed discrepancies, between observed UV/Optical and X-ray emissions emitted from accreting stars.

Les chocs forts sont présents dans des phénomènes astrophysiques variés. De tels chocs sont fortement influencés par le rayonnement par son couplage avec l’hydrodynamique. Par suite, leur topologie et leur dynamique sont assez complexes. Générer de tels chocs hypersoniques en laboratoire, dans des conditions contrôlées, est ainsi un outil pertinent pour étudier l’influence du rayonnement et pour comparer aux résultats des simulations numériques. Ces chocs sont générés par des lasers intenses et par des moyens électromagnétiques. La première partie du texte est consacré à l’étude numérique et expérimentale de l’interaction de deux chocs induits par laser se propageant en sens contraires. Les expériences ont été menées sur l’installation laser kJ PALS, qui permet de former deux chocs avec des vitesses propres différentes ($\sim$ 30-55 et 10-25 km/s respectivement) dans des gaz rares à pression faible (moins de 1 bar). Des diagnostics ont été installés : interférométrie visible, spectroscopie visible à résolution spatiale et temporelle, spectroscopie XUV intégrée en temps. Nos expériences montrent une forte interaction entre les deux précurseurs radiatifs. Les paramètres physiques du plasma ont été déduits de ces diagnostics et comparés aux résultats de simulations monodimensionnelles. La seconde partie est consacrée à la conception d’une expérience où le choc est généré de façon électromagnétique. L’optimisation de ce générateur est présentée ainsi que l’environnement expérimental permettant d’étudier des chocs jusqu’à 30 km/s dans des gaz rares peu denses (1 mbar). / Strong shocks are present in various astrophysical phenomena. Such shocks are strongly influenced by the radiation through its coupling with hydrodynamics. Thus their topology and dynamics are quite complex. Generating such hypersonic shocks in the laboratory, with controlled conditions, is thus an adequate tool to study the influence of radiation and to compare them with numerical simulations. Such shocks can be generated by intense lasers and electromagnetic devices.The first part of this dissertation concerns the numerical and experimental study of the interaction of two counter propagating laser-driven shocks. The experiments, performed at the kJ PALS laser facility allowed to generate shocks with different speeds ($\sim$ 30-55 km/s and 10-25 km/s), in noble gases and low pressure (less than 1 bar). Several diagnostics were implemented: visible interferometry, time- and space-resolved visible spectroscopy, and time integrated XUV spectroscopy. Our experiment shows a strong interaction of one radiative precursor onto the second one. The physical parameters of the plasma were deduced from the diagnostics and compared with 1-D simulation results. The second part is devoted to the design of an experiment where the shock is generated electromagnetically. The optimization of this generator is presented and also the full experimental set up which allows studying shock $\sim$ 30 km/s in noble gas at $\sim$ 1 mbar.

Les spectres de rotation de anti- et gauche-normal-butyronitrile, mesurés au laboratoire jusqu'à 506 GHz ont été analysés pour obtenir un jeu de paramètres moléculaires précis pour l'état fondamental de vibration et cinq vibrations de faible énergie de chaque conformère. L'objectif est de pouvoir fournir les meilleures prévisions possibles pour la radioastronomie. Un total d'environ 15000 raies a été utilisé pour l'analyse. Des paramètres améliorés ont été déterminés pour v30 = 1, v30 = 2, v18 = 1, v29 = 1, pour le conformère anti, et v30 = 1, v30 = 2, v28 = 1, v29 = 1, pour le conformère gauche. Des paramètres ont été déterminés pour la première fois pour v18 = v30 = 1 du conformère anti et v29 = v30 = 1 du conformère gauche. Des preuves ont été trouvées pour un couplage des vibrations pour certains transitions supérieures à 380 GHz. Le couplage entre v18 = 1 et v30 = 2 du conformère anti a été bien caractérisé. Certaines raies montrent aussi un dédoublement dû à la rotation interne qui ne devrait pas être résolu dans les spectres astronomiques. / Laboratory measured rotational spectra of anti- and gauche-normal-propyl cyanide up to 506 GHz have been analyzed to obtain a precise set of molecular parameters for the ground state and five low-lying vibrational states of each conformer. The objective is to be able to make best possible predictions for radio-astronomy. In total around 15000 lines have been included in the analysis. Improved parameters have been determined for v30 = 1, v30 = 2, v18 = 1, v29 = 1, for the anti conformer, and v30 = 1, v30 = 2, v28 = 1, v29 = 1, for the gauche conformer. Parameters are derived for the first time for v18 = v30 = 1 of the anti conformer and v29 = v30 = 1 of the gauche conformer. Evidence has been found for vibrational coupling for some transitions above 380 GHz. The coupling between v18 = 1 and v30 = 2 of the anti conformer has been well characterized. Internal rotation splitting is also observed but not expected to be resolved in astronomical spectra.

Diagnosing the temperatures and densities of plasmas is critical to the understanding of a wide variety of phenomena. Everything from equations of state for warm dense matter (WDM) found in Jovian planets and inertial confinement fusion (ICF) to turbulent and dissipative processes in laser-produced plasmas, rely on accurate and precise measurements of temperature and density. This work presents improvements on two distinct techniques for measuring temperatures and densities in plasmas: x-ray Thomson scattering (XRTS), and Langmuir probes (LPs). At the OMEGA laser facility, experiments on warm dense matter were performed by firing lasers at an ablator foil and driving a planar shock into cryogenically cooled liquid deuterium. XRTS in the collective scattering regime was implemented to probe the matter, measuring densities of n_e ~ 4.3 x 10²³ cm^-3, temperatures of T_e ~ 12 eV and ionizations of Z ~ 1.0. Through an extension to XRTS theory for inhomogeneous systems, it was possible to extract an additional parameter, the length scale of the shock, whose value of ? ~ 1.33 nm was consistent with the predicted mean free path, and therefore the thickness of the shock. A unique triple Langmuir probe prototype was designed and tested at the Gregori group's lab at the University of Oxford. This probe was designed for a high temporal resolution of ~ 200 MHz for probing laser-produced shocks. The probes were used to measure the shock formed from ablating carbon rods in an argon gas fill. The probe yielded plasma parameters of n_e ~ 1.0 x 10¹⁷ cm^-3 , and T^e ~ 1.5 eV, consistent with measurements from interferometry and emission spectroscopy.

Magnetic nozzles, like Laval nozzles, are observed in several natural systems and have application in areas such as electric propulsion and plasma processing. Plasma flowing through these nozzles is inherently tied to the field lines and must separate for momentum redirection or particle transport to occur. Plasma detachment and associated mechanisms from a magnetic nozzle are investigated. Experimental results are presented from the plume of the VASIMR® VX-200 device flowing along an axisymmetric magnetic nozzle and operated at two ion energies to explore momentum dependent detachment. The argon plume expanded into a 150m3 vacuum chamber where the background pressure was low enough that charge-exchange mean-free-paths were longer than experiment scale lengths. This magnetic nozzle system is demonstrated to hydrodynamically scale up to astrophysical plasmas, particularly the solar chromosphere, implying general relevance to all systems. Plasma parameters were mapped over a large spatial range using measurements from multiple plasma diagnostics. The data show that the plume does not follow the magnetic field lines. A mapped integration of the ion flux shows the plume may be divided into three regions where 1) the plume briefly follows the magnetic flux, 2) diverges quadratically before 3) expanding with linear trajectories. Transitioning from region 1→2, the ion flux departs from the magnetic flux suggesting ion detachment. An instability forms in region 2 driving an oscillating electric field that causes ions to expand before enhancing electron cross-field transport through anomalous resistivity. Transitioning from region 2→3 the electric field dissipates, the trajectories linearize, and the plume effectively detaches. A delineation of sub-to-super Alfvénic flow aligns well with the inflection points of the linearization without a change in magnetic topology. The detachment process is best described as a two part process: First, ions detach by a breakdown of the magnetic moment when the quantity |v/fcLB| becomes of order unity. Second, the turbulent electric field enhances electron transport up to a factor of 4±1 above collisional diffusion; electron cross-field velocities approximate that of the ions and depart on more centralized field lines. Electrons are believed to detach by breakdown of magnetic moment further downstream in the weaker magnetic field.