L'objectif de la fusion par confinement magnétique, et notamment du tokamak, est de produire de l'énergie à partir des réactions de fusion nucléaire, dans un plasma à faible densité et haute température. Expérimentalement, une amélioration de la performance des tokamaks a été observée en présence de rotation toroïdale. Or, les sources extérieurs de quantité de mouvement seront très limitées dans les futurs tokamaks, et notamment ITER. Une compréhension de la physique de la génération intrinsèque de rotation toroïdale permettrait donc de prédire les profils de rotation dans les expériences futures. Parmi les mécanismes envisagés, on s'intéresse ici à la génération de rotation par la turbulence, qui domine le transport de la chaleur dans les tokamaks. Les plasmas de fusion étant faiblement collisionnels, la modélisation de cette turbulence suppose un modèle cinétique décrivant la fonction de distribution des particules dans l'espace des phases à six dimensions (position et vitesse). Cependant, ce modèle peut être réduit à cinq dimensions pour des fréquences inférieures à la fréquence cyclotronique des particules. Le modèle gyrocinétique qui découle de cette approximation est alors accessible avec les ressources numériques actuelles. Les travaux présentés portent sur l'étude du transport de quantité de mouvement toroïdale dans les plasmas de tokamak, dans le cadre du modèle gyrocinétique. Dans un premier temps, nous montrons que ce modèle réduit permet une description précise du transport de quantité de mouvement en dérivant une équation locale de conservation. Cette équation est vérifiée numériquement à l'aide du code gyrocinétique GYSELA. / The goal of magnetic confinement devices such as tokamaks is to produce energy from nuclear fusion reactions in plasmas at low densities and high temperatures. Experimentally, toroidal flows have been found to significantly improve the energy confinement, and therefore the performance of the machine. As extrinsic momentum sources will be limited in future fusion devices such as ITER, an understanding of the physics of toroidal momentum transport and the generation of intrinsic toroidal rotation in tokamaks would be an important step in order to predict the rotation profile in experiments. Among the mechanisms expected to contribute to the generation of toroidal rotation is the transport of momentum by electrostatic turbulence, which governs heat transport in tokamaks. Due to the low collisionality of the plasma, kinetic modeling is mandatory for the study of tokamak turbulence. In principle, this implies the modeling of a six-dimensional distribution function representing the density of particles in position and velocity phase-space, which can be reduced to five dimensions when considering only frequencies below the particle cyclotron frequency. This approximation, relevant for the study of turbulence in tokamaks, leads to the so-called gyrokinetic model and brings the computational cost of the model within the presently available numerical resources. In this work, we study the transport of toroidal momentum in tokamaks in the framework of the gyrokinetic model.

Les micro-plasmas constituent une technologie d'avenir pour des applications aussi nombreuses que diverses : dépollution, traitement de surface, applications bio-médicales, accélération aérodynamique... Nous avons étudié ces micro-plasmas dans des gaz inertes (hélium ou argon), en les alimentant en courant continu dans des structures de type micro-cathode creuse. Afin de comprendre les mécanismes physiques régissant leur comportement, nous les avons caractérisés par plusieurs diagnostics, notamment par caméra ICCD et par spectrométrie d'émission optique. Ce dernier diagnostic nous a permis de déterminer la température du gaz des micro-plasmas, par l’analyse de la structure rovibrationnelle des raies du second système positif de l’azote (présent à l’état de traces), mais aussi d’effectuer des mesures de densité électronique, en analysant l’élargissement Stark de la raie H béta. Ces paramètres physiques obtenus expérimentalement, ont été comparés à leurs équivalents obtenus par simulation (logiciel GdSIM du laboratoire Laplace). Ce travail de thèse a également permis de montrer la possibilité d’atteindre le régime luminescent anormal d’un micro-plasma, en réduisant l’aire de la surface cathodique extérieure de la micro-cathode creuse. Ce régime de fonctionnement s’accompagne d’une hausse rapide de la température du gaz, ainsi que d’un phénomène d’hystérésis qui apparaît sur une courbe I-V, pour une rampe d’alimentation en courant linéairement croissante puis décroissante. Dans le cas de plusieurs micro-plasmas fonctionnant en parallèle, nous avons mis à jour un nouveau mécanisme, expliquant l’allumage des cavités de proche en proche. / The micro-plasmas are a promising technology for a lot of applications: environmental remediation, surface treatment, bio-medical applications, aerodynamic acceleration ... Our micro-plasmas are generated in microhollow cathode (M.H.C) structures, supplied by direct current and studied in rare gases (helium or argon). To understand the physical mechanisms ruling their behaviour, they have been characterized by several diagnostics, especially ICCD camera and optical emission spectroscopy. This last diagnostic has been used to determine the micro-plasma gas tempe rature , by analysing the bands 1.3 and 0.2 (from the second . positive system of nitrogen). but also to measure the electron density by analyzing the Stark broadening of the H beta line. We have also carried out simulations with a fully fluid model to obtain the spatial profiles of the electric field, the charge species densities and the gas temperature. Thus, we have studied the breakdown, the self-pulsing regime and the normal glow regime of our micro-plasmas. We have also demonstrated that a micro-plasma can work in the ab normal glow regime, at the condition to limit the cathode surface of the micro-device. For increasing values of curre nt. this abnormal glow regime is accompanied by a fast increase of the gas temperature. Moreove r, when the micro-plasma is supplied by a linear increasing-decreasing DC voltage ramp, this regime is accompanied by the formation of a hysteresis phenome non. At last, in the case of a micro-devi ce with severa 1micro-ho 1I0wcathodes in parallel, we exp lain how the cathode limitation favours the parallel ignition and is an alternative issue to the individual ballasting.

Les plasmas de fusion par confinement magnétique sont le siège d'instabilités qui développent des structures turbulentes d'échelles milli- à centi-métriques. Le transport qui en résulte contrôle le temps de confinement de l'énergie et, in fine, les performances énergétiques.Dans les régimes de confinement non améliorés, c'est une turbulence à l'échelle ionique qui domine ce transport. Cette turbulence est portée par les ions, mais également par une certaine classe d'électrons, ceux qui sont piégés dans les miroirs locaux du champ magnétique. Il est de fait important de prendre en compte leur dynamique, d'autant plus qu'ils sont également responsables du transport de matière.L'objectif de la thèse consiste à étudier l'impact des électrons d'une part, sur l'amortissement des "Geodesic Acoustic Modes" (GAM) d'une part, et sur la croissance linéaire des modes de turbulence "Ion Temperature Gradients" (ITG) et "Trapped Electron Modes" (TEM) d'autre part.Les GAMs sont des oscillations à la fréquence acoustique du potentiel électrique moyen sur les surfaces magnétiques. Ils interagissent de façon critique avec la micro-turbulence au travers notamment de leur couplage au mouvement des particules énergétiques du plasma. Les ITG et TEM représentent les 2 classes d'instabilités électrostatiques dominantes dans le cœur des plasmas de tokamak. Elles sont à ce titre supposées contrôler le transport turbulent de cœur.Cette étude est donc une étape préliminaire pour la prédiction du transport turbulent en prenant en compte l'influence des électrons.Le cadre approprié pour décrire cette turbulence est la théorie dite "gyrocinétique", qui procède d'une réduction de l'espace des phases de 6 dimensions (6D) à 4D + 1 invariant par une moyenne sur le mouvement rapide cyclotronique. Le problème auto-consistant couple l'équation gyrocinétique pour chaque espèce (ions et électrons) aux équations de Maxwell.Le développement de ce modèle cinétique, construit comme une extension autonome du code extsc{Gysela} dont la version de base donne une réponse adiabatique aux électrons, consiste à ajouter le traitement de la fonction de distribution des électrons. Leur prise en compte est coûteuse du point de vue des ressources numériques. Trois stratégies sont envisagées pour réduire ce coût: (i) considérer des "électrons lourds", (ii) filtrer les électrons et ne retenir que ceux qui sont piégés, et (iii) adapter les coordonnées pour découpler les dynamiques parallèle (rapide) et transverse (lente) au champ magnétique.Après une présentation du modèle gyrocinétique et des caractéristiques du code extsc{Gysela}, nous présentons le modèle des électrons adiabatiques tel qu'il est implémenté dans extsc{Gysela} et introduisons deux nouveaux modèles: le modèle "Full Kinetic Electrons" dans lequel les électrons sont considérés comme une espèce cinétique et sont traités de la même façon que les ions et le modèle "Trapped Kinetic Electrons" dans lequel seuls les électrons piégés sont cinétiques, les électrons passants reçoivent quant à eux un traitement adiabatique. On constate que les électrons engendrent un sur-amortissement des GAM lié à une intéraction résonante entre la fréquence de rebond de certains électrons piégés et celle des GAMs.Cet amortissement dépend du rapport de masse électron-ion et évolue en $(m_i/m_e)^{-1/2}$. Pour les simulations linéaires sur l'instabilité d'interchange, on retrouve que les modes ITG sont dominants sur les modes TEM pour des forts gradients de température ionique et vice versa, à profil de température électronique fixé. Un accord satisfaisant est obtenu avec le code gyrocinétique GT5D dont les résultats viennent d'être publiés. Enfin, nous proposons quelques méthodes pour construire des cas non linéaires qui permettront d'étudier l'influence des électrons cinétiques sur le transport turbulent. / Instabilities, within fusion plasmas by magnetic confinement, develop turbulent structures with milli-centimetric scales. The resulting transport impacts the energy confinement time and, ultimately, the energy performance.In unimproved confinement regimes, ion-scale turbulence generally dominates this transport. This turbulence is carried by the ions, but also by a certain class of electrons, those trapped in the local mirrors of the magnetic field. Take into account their dynamics is important, especially since they are also responsible for particle transport.The aim of this thesis is to study the impact of electrons on the damping of "Geodesic Acoustic Modes" (GAM) on the one hand and the linear growth of the turbulence modes "Ion Temperature Gradients" (ITG) and "Trapped Electron Modes" (TEM) on the other hand.GAMs are oscillations at the acoustic frequency of the average electric potential on magnetic surfaces. They interact critically with micro-turbulence, particularly through their coupling to the motion of energetic particles in the plasma. ITG and TEM represent the 2 classes of dominant electrostatic instabilities in tokamak core plasmas. As such, they are supposed to control turbulent transport in the core.This study is therefore a preliminary step for the prediction of turbulent transport while taking into account the influence of electrons.The appropriate framework for describing this turbulence is the so-called "gyrokinetic" theory, which proceeds from a 6 dimensions (6D) to 4D + 1 phase space reduction invariant by an average of the fast cyclotron motion. The self-consistent problem couples the gyrokinetic equation for each species (ions and electrons) to the Maxwell equations.The development of this kinetic model, built as an autonomous extension of the extsc{Gysela} code whose basic version gives an adiabatic response to electrons, consists in adding the treatment of the electron distribution function. Taking kinetic electrons into account is costly numerically. Three strategies are envisaged to reduce this cost: (i) consider "heavy electrons", (ii) filter electrons so as to keep only the trapped ones, and (iii) adapt the coordinates to decouple the parallel dynamics (fast) and the transverse one (slow) to the magnetic field.After a presentation of both the gyrokinetic model and some characteristics of the extsc{Gysela} code, we expose the adiabatic electrons model as it is implemented in extsc{Gysela} and introduce two new models: the "Full Kinetic Electrons" model in which electrons are treated kinetically in the same way as the ions and the "Trapped Kinetic Electrons" model in which only the trapped electrons are kinetic, the passing electrons receiving an adiabatic treatment. It is found that electrons generate an over-damping of the GAM explained by a resonant interaction between the bounce frequency of some trapped electrons and that of the GAMs.This damping depends on the electron-ion mass ratio and evolves as $(m_i/m_e)^{-1/2}$. For linear simulations on interchange instability, we find that the ITG modes are dominant over the TEM modes for large ion temperature gradients and vice versa, at finite electron temperature gradient. A satisfying agreement is obtained with the gyrokinetic code GT5D whose results have just been published. Finally, we give some suggestions for future simulations to build non linear cases that could enable to study the influence of kinetic electrons on turbulent transport.

We use an interferometric method for measuring the plasma density in a laser-induced plasma as a function of time. Any changes in the density within 5 ns of generation is due plasma expansion and not recombination. The analytic solution for plasma expansion derived for ultracold Neutral Plasmas describes the expansion of our laser produced Neon plasma of densities up to approximately 40 Torr. A model for the utlracold neutral plasmas, in comparison with measurements of our plasmas, can be used to extract an electron temperature. Currently our plasmas have shown to have an electron temperature of approximately 44 eV.

This licentiate thesis reports analytical results for the electrostatic response to a test charge moving through dusty plasma. Two particular cases for a slowly moving test charge, namely, grain size distribution and grain charging dynamics are considered. Analytical results for the delayed shielding of a test charge due to dynamical grain charging in dusty plasma are also reported. In the first case, a dusty plasma in thermal equilibrium and with a distribution of grain sizes is considered. A size distribution is assumed which decreases exponentially with the grain mass for large sizes and gives a simple smooth reduction for small sizes. The electrostatic response to a slowly moving test charge, using a second order approximation is found and the effects of collisions are also investigated. It turns out that for this particular size distribution, there is a remarkably simple result that the resulting effective distribution for the electrostatic response is a kappa (generalized Lorentzian) distribution. In the second case, we present an analytical model for the shielding of a slowly moving test charge in a dusty plasma with dynamical grain charging for cases both with and without the collision effects. The response potential is treated as a power series in test charge velocity. Analytical expressions for the response potential are found up to second order in test charge velocity. The first-order dynamical charging term is shown to be the consequence of the delay in the shielding due to the dynamics of the charging process. It is concluded that the dynamical charging of the grains in a dusty plasma enhances the shielding of a test charge. To clarify the physics, a separate study is made where the charging is approximated by using a time delay. The resulting potential shows the delayed shielding effect explicitly. The terms in the potential that depend on the charging dynamics involve a spatial shift given by the test charge velocity and the charging time. This kind of work has relevance both in space and astrophysical plasmas. / QC 20101220

Les matériaux à bande interdite électromagnétique (BIE) plus connus sous le nom de cristaux photoniques en optique, sont des structures périodiques possédant des propriétés intéressantes que l'on ne retrouve pas dans les matériaux conventionnels. Ces propriétés dépendent des paramètres géométriques de la structure, et des paramètres constitutifs de ses éléments ( E et μ). Ainsi, ils peuvent présenter un indice de réfraction négatif, posséder des bandes interdites ou encore être fortement anisotropes. Pour les dispositifs hyperfréquences, l'exploitation de ces propriétés s'avère très pertinente. Or, ces structures sont en général passives, et l'une des considérations actuelles vise à les rendre reconfigurables, afin d'étendre encore leur champ d'applications. L'originalité de ce travail consiste à utiliser les plasmas comme élément contrôlable. En effet, leurs paramètres physiques (E , diamètre etc.) varient en fonction des conditions de décharge. Pour l'étude de ce principe de reconfigurabilité, un dispositif de diviseur de puissance commutable à base d'un BIE a été défini. Différents plasmas de grand volume à des pressions allant de 40 à 760 torrs ont été étudiés puis intégrés dans le dispositif. Des mesures microondes ont alors mis en évidence le contrôle de la propagation de l'onde par le plasma. Cette thèse, à l'intersection de deux disciplines, plasma et microondes, a permis de valider le concept d'utilisation de plasmas localisés pour rendre reconfigurable certaines propriétés des structures BIE. Suite à cette validation, d'autres travaux sont d'ores et déjà entamés, afin d'améliorer les performances et d'explorer d'autres idées liant notamment métamatériaux et plasmas.

L’un des plus grands défis des missions prévues sur Mars est la phase d’entrée atmosphérique, lorsque le vaisseau spatial entre dans l’atmosphère de Mars à l’aller, ou de la Terre au retour. Les capsules spatiales entrent dans l’atmosphère à des vitesses hypersoniques ce qui comprime le gaz à l’avant de l’appareil et résulte en une augmentation de température jusqu’à la dissociation et l’ionisation du gaz. Ces phénomènes engendrent un rayonnement intense du gaz. Le flux radiatif arrivant sur la capsule est la principale source de chauffage de l’appareil mais de grandes incertitudes demeurent dans sa prédiction. En conséquence, le bouclier thermique est surdimensionné, augmentant la masse totale de l’appareil et diminuant sa charge utile. Ces incertitudes sont maximales sur l’arrière-corps de l’appareil où le plasma l’entourant est forcé de se recombiner hors équilibre. Cette thèse présente une caractérisation expérimentale de plasma hors équilibre d’air et d’azote en recombinaison, typique des plasmas d’arrière-corps. Les distributions de la population de l’azote atomique et moléculaire sont mesurées, ainsi que le rayonnement hors équilibre de ces espèces. Des comparaisons avec les prédictions de codes numériques sont données, et de larges différences sont observées, soulignant les limites des modèles de mécanique des fluides numériques. Ces données expérimentales ont pour but d’être utilisées dans la validation des modèles présents dans les codes d’entrée atmosphérique. / One of the main challenges for the upcoming Mars missions is the atmospheric entry phase when the spacecraft enters the Martian atmosphere or the Earth’s atmosphere upon return. The hypersonic velocity of the capsule entering the atmosphere leads to extreme gas heating and results in intense gas radiation. The radiative flux emitted by the plasma in front and around the capsule is the main source of heating, but its prediction suffers from large uncertainties, leading engineers to apply safety margin on the heat shield, thereby decreasing the useful payload of the capsule. These uncertainties are maximal in the afterbody region where the plasma is forced to recombine and can depart from equilibrium. This thesis presents an experimental characterization of recombining non-equilibrium air and nitrogen plasma flows to mimic the chemical kinetic dynamics encountered in the afterbody region. The population distributions of radiating atomic and molecular species of nitrogen are measured, along with the nonequilibrium radiation emitted by these species. Comparisons with predictions from numerical codes are made and large differences are observed even in simple test cases, thus highlighting the limits of current computational fluid dynamics models. These data are intended to serve as a basis to validate the models used in reentry codes.

Neste trabalho são abordados alguns aspectos do tokamak TCABR, particularmente no que diz respeito à ruptura do plasma, às descargas e ao sistema vertical. Desenvolveu-se um modelo zero-dimensional para modelagem das descargas, envolvendo 5 equações diferenciais. Com esse modelo obteve-se os perfis temporais de parâmetros importantes da descarga tais como: corrente de plasma, tensão de enlace, temperatura eletrônica, densidade eletrônica e densidade de partículas neutras. Verificou-se, com as simulações, a influência de parâmetros importantes no comportamento das descargas. A partir de resultados experimentais do TCA e do TCABR verificou-se a compatibilidade desses resultados com o modelo. Fez-se um estudo da ruptura do plasma no TCABR utilizando-se um modelo físico para os processos que envolvem a ruptura com o qual pode-se delimitar a região de ruptura que depois pode ser comparada com os resultados experimentais. Experimentalmente verificou-se que, para o TCABR, a ruptura ocorre para pressões entre 9.10-6 a 3.10-4 mbar e campos elétricos entre 2 e 10 V/m. A relação campo-pressão, E/p, na região de ruptura, está entre 3.107 e 5.108 V.m-1.bar-1. Foi também feito um estudo do sistema de controle realimentado do campo vertical onde determinou-se algumas funções de transferências importantes, particularmente para os blocos não lineares desse sistema. A partir de um programa computacional foi feito um mapeamento do campo vertical e do índice de curvatura do campo. Verificou-se que a razão entre a componente vertical do campo, no centro do vaso, e o valor correspondente de corrente que passa pelas espiras é de 3,5.10-5 T/A e o índice de curvatura do campo está em torno de 0,45. / In this work, some aspects of the TCABR tokamak are studied. In particular, some points concerned to the plasma breakdown, to discharge characteristics in tokamak mode and to the vertical field system are investigated. A zero-dimensional model has been developed, especially for this work, based on five differential equations involving the ohmic heating circuit and the conservation laws of energy, electrical charge and neutral particles. The model was used for simulating the TCABR plasma discharges. Therefore, time profiles of important plasma parameters like plasma current, loop voltage, electron temperature, electron density and neutral density, were obtained. Also, as a result of the simulations, was verified how the tokamak machine parameters and plasma parameters influence the behavior of the discharges. Some experimental results from the TCABR and TCA were compared with the results of the simulations. A study of the rupture of the plasma was carried out adopting a physical model that includes many physical processes. This model was used to delimit the breakdown region for TCABR tokamak machine and as a tool to understand the experimental data. Experimentally, it was observed that, for TCABR, the rupture occurs for pressures values between 1.10-5 to 3.10-4 mbar, and electric fields values between 2 and 10 V/m. The ratio electric field-pressure (E/p), in the rupture region, is between 3.107 and 5.108 V.m-1.bar-1. For the control system of the vertical field we obtained some transfer functions mainly for the non-linear blocks of the system that have been used in the experimental tests. A computer program was developed to obtain the map of the magnetic vertical field lines and the index of curvature of the field. Finally it was verified that, in the center of the vessel, the ratio between the magnetic vertical field to the electric current that flows in the vertical coils is, 3.5.10-5 T/A and the index of curvature of the field is ~0.45.

L'interaction d'un plasma avec une impulsion laser-intense suscite de plus en plus d'intérêt du fait des progrès en matière de technologie laser d'outils numériques. La réaction du rayonnement affecte la dynamique des électrons, celle du rayonnement synchrotron, ainsi que celle des ions via le champ de séparation de charge, pour des intensités laser supérieures à 10puissance22 W/CM2. les équations cinétiques régissant le transport de particules à ultra-haute intensité ont été obtenues. La réaction du rayonnement implique la contraction du volum de l'epace des phases des électrons A l'aide de simulations numériques nous avons démontré la forte rétro-action que les effets collectifs induisent sur le rayonnement synchrotron généré par les électons accélérés. L'importance des effets collectifs dépend fortement de la masse des ions et de l'épaisseur du plasma considéré. Ces effets pourraient être vérifiés expérimentalement avec des cibles cryogéniques d'hydrogène. / Résumé en anglais

Neste trabalho estudamos as propriedades dielétricas de plasmas inomogêneos, com ênfase na análise dos efeitos de inomogeneidades sobre a absorção de ondas eletromagnéticas em plasmas portadores de corrente. Inicialmente, apresentamos uma revisão sobre alguns aspectos básicos relacionados com a propagação e absorção de ondas eletromagnéticas em um plasma; nesta revisão discutimos alguns aspectos da literatura disponível sobre o tratamento da relação de dispersão em plasmas inomogêneos e sobre a obtenção do tensor dielétrico em meios inomogêneos. A seguir, utilizamos expressões gerais para as componentes do tensor dielétrico, obtidas da literatura, e as particularizamos para o caso de ondas de alta freqüência propagando-se em um plasma caracterizado por uma corrente na distribuição eletrônica, ao longo da direção do campo magnético. Realizamos então uma análise numérica com o objetivo de estudar a influência dos parâmetros do plasma e seus gradientes sobre o coeficiente de absorção de ondas eletromagnéticas de alta freqüência, propagando-se perpendicularmente ao campo magnético externo. Estudamos também os efeitos da inomogeneidade sobre a absorção de radiação de ciclotron em um plasma de tokamak, descrito de forma aproximada por uma lâmina de plasma com perfis espaciais para os parâmetros do plasma. Este cálculo não incluiu os efeitos da inomogeneidade no campo magnético, e mostrou que as inomogeneidades nos demais parâmetros não têm efeito significativo na absorção em tokamaks, ao menos para as situações de inomogeneidades suaves consideradas em nosso modelo. / In the present work we have studied the dielectric properties of inhomogeneous plasmas, emphasizing the analysis of inhomogeneity effects on the absorption of electromagnetic waves by current-carrying plasmas. Initially, we presented a review about some basic features related to propagation and absorption of electromagnetic waves in plasmas; in the review we discussed some topics from the available literature, about the treatment of the dispersion relation for inhomogeneous plasmas and about the procedures for derivation of the dielectric tensor for inhomogeneous plasmas. We have then utilized general expressions for the dielectric tensor components, obtained from the literature, in order to study the particular case of high-frequency waves propagating in a plasma featuring an electronic current along the direction of the magnetic field. A numerical analysis was then conducted, in order to study the influence of plasma parameters and their gradients on the absorption coefficient for high-frequency electromagnetic waves propagating perpendicularly to the ambient magnetic field. We have also studied the inhomogeneity effects on the absorption of electron cyciotron radiation by a tokamak plasma, with the tokamak described approximately by a plasma slab with spatial profiles for the plasma parameters. The study has not explicitly included the effects of magnetic field inhomogeneity, and it has shown that the gradients of other plasma parameters have no significant effect on the absorption by tokamak plasmas, at least in the case of smooth inhomogeneities considered in the model utilized.