Les plasmas transitoires générés par ablation laser à haute fluence sont des phénomènes complexes impliquant une multitude de processus, comme l’absorption de la radiation optique dans la matière, l’augmentation de température et les transitions de phase dues au transfert d’énergie, l’hydrodynamique du gaz en expansion, les interactions électriques entre les particules chargées, ou l’interaction du rayonnement laser avec le plasma créé. Une compréhension la plus complète possible de ce phénomène est nécessaire tant du point de vue fondamental, que par rapport à la caractérisation de matériaux à fort potentiel technologique soumis à des flux d’énergie intenses.Afin d’accéder à une telle compréhension, nous avons développé une approche multi-diagnostics, en mettant en œuvre des techniques optiques et électriques : imagerie par caméra intensifiée rapide, spectroscopie optique d’émission résolue spatialement et temporellement, spectroscopie d’absorption par diode laser, sonde de Langmuir. Ces techniques ont été appliquées à la caractérisation des plasmas générés par ablation laser en régime nanoseconde à différentes longueurs d’onde sur des matériaux allant des plus simples (Al, Cu) aux plus complexes (céramiques, verres chalcogénures, ferromagnétiques). Les principaux résultats obtenus ont été la mise en évidence d’un processus de fractionnement du plasma en deux structures, et la caractérisation cinétique et énergétique des constituants de ces structures. Ces résultats trouvent un intérêt fondamental (développement d’un modèle hydrodynamique fractal) et appliqué (investigation du phénomène d’érosion dans les propulseurs spatiaux à plasma, dépôt de couches minces). / The transient plasmas generated by high-fluence laser ablation are complex phenomena involving multiple processes, as optical radiation absorption by the matter, temperature increase and phase transitions generated by the energy transfer, expanding gas hydrodynamics, electrical interactions between the charged particles, or the interaction of the laser radiation with the generated plasma. A most complete understanding of this phenomenon is therefore necessary from the fundamental point of view, but also for characterizing the behavior of high technological potential materials under intense irradiation. We have developed a multi-diagnostic approach, based on optical and electrical techniques: fast ICCD camera imaging, space- and time-resolved optical emission spectroscopy, diode laser absorption spectroscopy, Langmuir probe. These techniques have been used to characterize plasmas generated by nanosecond laser ablation of various samples, from simple Al and Cu metals, to more complicated ceramics, chalcogenide glasses or ferromagnetics. The main results have been the observation of the plasma splitting in two structures and the kinetic and energetic characterization of their constituents. These results present fundamental (development of a fractal hydrodynamic model) and applied (erosion of dielectric walls in space plasma thrusters, pulsed laser deposition of thin films) interest.

Les antennes en opération dans la gamme de fréquence cyclotron ionique représentent un moyen utile pour chauffer du plasma dans les tokamaks et autres plasmas de fusion. Ces systèmes de chauffage sont amenés à jouer un rôle important dans le projet ITER. Conjointement avec le chauffage souhaité, les interactions parasites avec le bord du plasma et de la limite des matériaux apparaissent. Plusieurs de ces effets délétères sont causés par la formation de la radio-fréquence des gaines. L'objectif de cette thèse est d'étudier, principalement de façon expérimentale, les modifications du plasma de bord «scrape-off layer» causées par les effets non-linéaires des gaines RF. Cela se fait en utilisant les sondes électrostatiques (de Langmuir, Retarded Field Analyser, tunnel) pour différentes configurations du plasma et des antennes: avec des études paramétriques en fonction du déséquilibre entre les émetteurs de l'antenne, de la puissance injectée et de la densité SOL. De plus, l'influence des gaines RF sur les mesures du potentiel de la gaine avec le RFA sont analysées. Cette étude s'effectue à l'aide d'un code 1D basé sur le modèle cinétique «particle-in-cell». Ces simulations ont montré que la RFA est capable de mesurer de manière fiable le potentiel gaine, toutefois cela reste limité pour les fréquences de plasma ionique wpi proche de la fréquence injectée wrf. Par contre, pour des conditions réelles du SOL (wpi>wrf), quand RFA est magnétiquement connectée à la structure de l'antenne RF, il est fortement sous-estimé. Enfin, les mesures de RFA dans Tore Supra indiquent que les potentiels RF se propagent au moins jusqu'à de 12m de l'antenne le long de lignes de champ magnétiques / Antennas operating in the ion cyclotron range of frequency (ICRF) provide a useful tool for plasma heating in many tokamaks and are foreseen to play an important role in ITER. However, in addition to the desired heating in the core plasma, spurious interactions with the plasma edge and material boundary are known to occur. Many of these deleterious effects are caused by the formation of radio-frequency (RF) sheaths. The aim of this thesis is to study, mainly experimentally, scrape-off layer (SOL) modifications caused by RF sheaths effects by means of Langmuir probes that are magnetically connected to a powered ICRH antenna. Effects of the two types of Faraday screens' operation on RF-induced SOL modifications are studied for different plasma and antenna configurations - scans of strap power ratio imbalance, injected power and SOL density. In addition to experimental work, the influence of RF sheaths on retarding field analyzer (RFA) measurements of sheath potential is investigated with one-dimensional particle-in-cell code. One-dimensional particle-in-cell simulations show that the RFA is able to measure reliably the sheath potential only for ion plasma frequencies wpi similar to RF cyclotron frequency wrf, while for the real SOL conditions (wpi > wrf), when the RFA is magnetically connected to RF region, it is strongly underestimated. An alternative method to investigate RF sheaths effects is proposed by using broadening of the ion distribution function as an evidence of the RF electric fields in the sheath. RFA measurements in Tore Supra indicate that RF potentials do indeed propagate from the antenna 12m along magnetic field lines

Les interactions plasma-paroi représentent l'un des principaux problèmes à résoudre pour avancer dans la recherche sur la fusion contrôlée. Ce travail de thèse a pour objectif de développer une source d'hydrogène atomique à basse pression (< Torr) dans un réacteur à configuration hélicon en mélange H2/Ar pour étudier la gravure chimique du graphite et de composites à fibres de carbone utilisés dans le tokamak Tore Supra. Selon les conditions expérimentales, le réacteur peut générer les modes de couplages capacitif, inductif, Trivelpiece-Gould et hélicon à bas champ. Leur caractérisation a montré que le mode inductif est, dans ce cas, celui présentant le plus grand intérêt pour la source d'hydrogène atomique. Les études en mode inductif ont révélé un phénomène de décroissance de la densité relative de deux niveaux métastables de l'ion Ar+ et d'un niveau métastable de l'argon neutre lors de l'augmentation du champ magnétique de confinement. Un modèle simple a confirmé que ces niveaux métastables sont détruits par collisions électroniques vers des niveaux de plus grande énergie. La gravure du graphite par la source d'hydrogène atomique est relativement efficace (jusqu'à 3 µm/h) à 10 mTorr et diminue avec la pression. Une analyse qualitative de la cinétique de l'hydrogène atomique a permis de conclure que cette baisse de la vitesse de gravure est due au flux d'hydrogène atomique arrivant sur l'échantillon qui décroît lorsque la pression augmente. Les premières observations de la surface après gravure ont mis en évidence la présence de structures carbonées (agglomérats de nanoparticules et dépôts). Ces structures ressemblent à celles observées dans différents tokamaks / Plasma-wall interactions are one of the main issues in fusion research and must be thoroughly studied to progress in this topic. The objective of this work is to develop an atomic hydrogen source at low pressure (< Torr) in a helicon configuration reactor working in H2/Ar gas mixture. This source is then used to study the chemical etching of graphite and carbon fiber composites composing the limiter of the Tore Supra tokamak. Depending on the experimental conditions, the RF power coupling of the reactor can be in capacitive, inductive, Trivelpiece-Gould or low field helicon mode. The characterization of these modes determined that in this case the inductive one presents the greatest interest for the atomic hydrogen source. Further studies in inductive mode showed that increasing the confinement magnetic field leads to a decrease of measured relative densities of two metastable levels of argon ion and one metastable state of neutral argon. A simple model simulating neutral metastable state behavior confirmed that these levels are destroyed by electronic collisions towards upper levels. The chemical etching of graphite exposed to the atomic hydrogen source is relatively efficient (up to 3 µm/h) at 10 mTorr and drops with the pressure. A qualitative analysis of atomic hydrogen kinetics concluded that this behavior is due to the decrease of atomic hydrogen flux on the sample with increasing pressure. Finally, first observations of the etched surface underlined different structures (nanoparticles clusters and deposits). These can be compared to the ones observed in different tokamaks

Les procédés plasma de grandes dimensions, uniformes et denses, sont essentiels pour les traitements de surface qui demandent des vitesses de gravure ou de dépôt élevées et uniformes. Ainsi, l'objectif de cette étude est de produire des nappes de plasma uniformes et de fortes densités dans la gamme de pression de 100 Pa. L'extension d'échelle des plasmas est réalisable par la distribution de sources plasma micro-onde suivant un réseau à deux ou trois dimensions. Ce concept a été appliqué à un réacteur plan constitué de 4 × 3 = 12 sources plasma micro-onde distribuées selon une configuration matricielle carrée (paramètre de maille de 4 cm). Pour chaque source élémentaire, le plasma est produit à l'extrémité d'un applicateur coaxial implanté perpendiculairement au plan de la source bidimensionnelle. Dans la gamme des puissances micro-onde faibles et dans celle des pressions élevées, des plasmas localisés à symétrie azimutale sont visibles autour de chaque applicateur coaxial. En augmentant la puissance micro-onde, les plasmas localisés s'étendent et se rejoignent pour produire une tranche de plasma uniforme. Les plasmas d'argon, qui peuvent être maintenus entre 7,5 et 750 Pa, ont été caractérisés principalement par sonde de Langmuir. La nappe de plasma obtenue devient uniforme à partir de 15-20 mm du plan de source, c'est-à-dire à une distance de l'ordre de la moitié du paramètre de maille. Les résultats montrent que le plasma peut atteindre des densités comprises entre 10^12 et 10^13 cm^-3 avec une uniformité de ± 3,5 % à 20 mm du plan de source. La décroissance de la température électronique observée lors d'une augmentation de la puissance micro-onde est justifiée par l'apparition d'un mécanisme d'ionisation par étapes via les atomes métastables, dont la concentration et la température ont été mesurées par spectroscopie d'absorption par diodes laser. Une modélisation analytique simplifiée suivie d'une modélisation numérique du plasma d'argon à une dimension a été effectuée. Elle permet de conforter la plupart des hypothèses sur les mécanismes de création et de perte dans le plasma. Enfin, pour tester le réacteur dans des applications aux traitements de surface, des couches de SiOCH et de SiNCH ont été déposées par PACVD en vue d'évaluer la vitesse et l'uniformité du dépôt. Les vitesses de dépôt obtenues dépassent le µm/min et les dépôts sont uniformes.

La possibilité de produire de l'énergie en utilisant la fusion par confinement magnétique est un défi scientifique et technologique. La perspective d'ITER transmet des signaux forts afin d'intensifier les efforts de modélisation pour les plasmas de fusion. Le succès de la fusion est conditionnée par la qualité du confinement du plasma dans le cœur du réacteur et par le contrôle des flux de particules et de chaleur qui arrivent sur la paroi. Les deux phénomènes sont liés au transport turbulent. L'étude de ces phénomènes est d'autant plus compliquée que la géométrie magnétique est complexe. Cela nécessite une amélioration de notre capacité à développer des outils numériques capables de reproduire les propriétés du transport turbulent fiables.Cette thèse présente le modèle fluide du code TOKAM3X pour simuler plasma de bord turbulent. Une attention particulière a été portée sur la vérification et la validation de ce code, ce qui est une étape nécessaire avant d'utiliser un code comme un outil prédictif. Ensuite, de nouvelles études sur les propriétés physiques de la turbulence bord du plasma sont examinées. En particulier, les asymétries poloïdales induites par la turbulence et observées expérimentalement côté faible champ sont étudiées en détail. Un grand soin est dédié à la reproduction du scénario MISTRAL, qui consiste à changer la configuration magnétique et à en observer l'impact sur les flux parallèles dans le plan poloïdal. Les simulations reproduisent les mesures expérimentales et fournissent de nouvelles informations sur l'effet du point de contact plasma-paroi sur les caractéristiques de la turbulence, qui ne sont pas accessibles dans les expériences. / The possibility to produce power by using magnetically confined fusion is a scientific and technological challenge. The perspective of ITER conveys strong signals to intensify modeling effort on magnetized fusion plasmas. The success of the fusion operation is conditioned by the quality of plasma confinement in the core of the reactor and by the control of plasma exhaust on the wall. Both phenomena are related to turbulent cross-field transport that is at the heart of the notion of magnetic confinement studies, particle and heat losses. The study of edge phenomena is therefore complicated by a particularly complex magnetic geometry.This calls for an improvement of our capacity to develop numerical tools able to reproduce turbulent transport properties reliable to predict particle and energy fluxes on the plasma facing components. This thesis introduces the TOKAM3X fluid model to simulate edge plasma turbulence. A special focus is made on the code Verification and the Validation. It is a necessary step before using a code as a predictive tool. Then new insights on physical properties of the edge plasma turbulence are explored. In particular, the poloidal asymmetries induced by turbulence and observed experimentally in the Low-Field-Side of the devices are investigated in details. Great care is dedicated to the reproduction of the MISTRAL base case which consists in changing the magnetic configuration and observing the impact on parallel flows in the poloidal plane. The simulations recover experimental measurements and provide new insights on the effect of the plasma-wall contact position location on the turbulent features, which were not accessible in experiments.

Le groupe HEF (Hydromécanique Et Frottements), premier équipementier et façonnier français en traitements de surface par plasmas hors microélectronique, utilise dans ses procédés industriels des sources plasma micro-onde multi-dipolaires fonctionnant sur le principe de la résonance cyclotronique électronique pour la réalisation de dépôts de type DLC par PACVD, et pour l'assistance ionique à la croissance de couches CrN par pulvérisation magnétron réactive. Suite à la présentation de l'utilisation de ces sources pour des dépôts de DLC et des ajustements nécessaires pour leur mise en œuvre industrielle, les travaux de cette thèse portent sur le développement de nouvelles sources plasma micro-onde en vue d'améliorer l'uniformité des traitements de surface dans le volume du réacteur ainsi que la productivité des réacteurs plasma pour le dépôt de ces couches. Les résultats obtenus sont intéressants puisque le développement d'une source étendue a permis d'augmenter la vitesse de dépôt des couches DLC sans dégradation des propriétés mécaniques et d'obtenir une uniformité similaire à celle obtenue avec les sources multi-dipolaires en utilisant deux fois moins d'applicateurs micro-onde. Les réflexions portant sur l'amorçage du plasma ont permis d'identifier les voies d'amélioration de cette source pour valider son utilisation en milieu industriel. L'utilisation de cette source étendue pour l'assistance ionique à la croissance de couches telles que le nitrure de chrome CrN par pulvérisation magnétron réactive a démontré un potentiel intéressant en termes de propriétés mécaniques obtenues et a permis d'identifier des axes de développement de cette configuration.

Ces travaux abordent la problématique des mesures de sonde de Langmuir dans un environnement RF. Les mesures expérimentales ont montré que des courants DC négatifs (électroniques) étaient collectés sur la structure d'une antenne ICRF sous tension, pendant que des courants DC positifs (ioniques) sont recueillis par une sonde de Langmuir à l'autre bout du tube de flux magnétique ouvert connecté à l'antenne, la sonde étant au potentiel de la machine. Un modèle de tube de flux asymétrique, de type de sonde double, est présenté. Celui-ci modélise un plasma, confiné le long des lignes de champ magnétique, ayant à chaque extrémité une électrode dont l'une est polarisée à un potentiel RF et l'autre à la masse. L'électrode polarisée modélise le potentiel RF résultant de l'intégration, le long d'une ligne champ magnétique, du champ électrique rayonné par les straps d'une antenne ICRF, tandis que l'autre électrode modélise la sonde au potentiel de la machine. Ce modèle permet d'expliquer l'apparition de courants DC en émettant simplement l'hypothèse qu'il faut à la fois une asymétrie de la source RF par rapport à une masse fixe, une conductivité RF transverse non nulle autorisant des courants RF transverses ainsi qu'une caractéristique courant-tension non linéaire due aux gaines pour favoriser des courants négatifs du côté RF et des courants positifs côté sonde. Ce modèle permet également de modéliser les caractéristiques Courant DC - Tension DC d'une sonde en présence de RF et ainsi d'évaluer les propriétés du plasma. Dans ce cas l'électrode modélisant la sonde n'est plus à la masse, mais à un potentiel donné. Des résultats analytiques sont trouvés dans certaines limites / This work investigates the problematic of probe measurements in RF environment. DC currents flowing along magnetic field lines connected to powered ICRF antennas have been observed experimentally. Negative (i.e. net electron) current is collected on the powered ICRF antenna structure, while positive (i.e. net ion) current is collected by magnetically connected Langmuir probes. An asymmetric model based upon a double probe configuration was developed. The ICRF near field effect is mimicked by a ?driven? RF electrode at one extremity of an "active" open magnetic flux tube, where a purely sinusoidal potential is imposed. The other connection point is maintained at ground potential to model a collecting probe. This "active" flux tube can exchange transverse RF currents with surrounding "passive" tubes, whose extremities are grounded. With simple assumptions, an analytical solution is obtained. We can thus explain how DC currents are produced from RF sheaths. This model also makes it possible to model the characteristics DC Current' DC Voltage of a probe in the presence of RF and thus to evaluate some plasma properties. In this case the electrode at ground potential (probe) is polarized at a given potential. Analytical results are found within certain limits

Dans l'optique de produire de l'énergie à travers les réactions de fusion, nous sommes amenés à étudier des phénomènes physiques qui ont lieux dans les tokamaks. Les instabilités qui existent dans les tokamaks peuvent fortement dégrader le confinement et ont un impacte sur le fonctionnement de futurs réactions à fusion. Des mesures révèlent un fort transport radial. Même si ce transport radial est en partie est une conséquence des collisions, l'instabilité d'interchange est la source dominante à ce transport puisque le type de plasmas nous intéressant sont faiblement collisionnels. Dans la limite non collisionnelle, la description hamiltonienne permet de décrire le système dynamique des particules du plasmas dans un champ électromagnétique. Nous donnons de l'importance à cette description afin de pouvoir accéder aux outils hamiltoniens.Nous travaillons sur la modélisation et le contrôle hamiltonien du transport radial. Après avoir écrit le modèle hamiltonien des particules d'un plasma magnétisé, nous introduisons les réductions de ce modèle lagrangien en modèles eulériens réduits afin de s'adapter à certains calculs numériques et théoriques. Ces réductions donnent lieux aux équations fluides hamiltonien. Cependant, nous montrons que ces réductions peuvent faire perdre la propriété hamiltonienne. En particulier pour obtenir un modèle ayant la température des ions (puisqu'elle n'est pas négligeable au centre du plasma), nous montrons la procédure conservant la propriété hamiltonienne à partir du modèle sans température des ions.Quant à l'étude du transport radial, nous appliquons une des propriétés hamiltoniennes (le contrôle) afin de créer une barrière de transport par des perturbations du système. Nous étudions de manière idéale l'effet du contrôle à travers la dynamique lagrangienne des traceurs appelés particules test. Nous faisons particulièrement des efforts dans la prise en compte des contraintes numériques et expérimentales. Nous montrons notamment la robustesse du contrôle lors de l'application des perturbations par des sondes de Langmuir.Finalement, nous étudions l'application du contrôle dans un modèle eulérien décrivant la rétroaction du plasmas (à travers la densité et le potentiel électrique) lorsque nous appliquons les perturbations. Cette étape permet de prendre en compte le couplage du système plasma-perturbations. En utilisant un code fluide permettant de décrire le plasma de bord lors de perturbations générées par des sondes de Langmuir. Nous développons un algorithme permettant de calculer le contrôle en tout temps en fonction du potentiel électrique. Nous montrons alors que la valeur moyenne du potentiel électrique joue un rôle important pour l'application du contrôle dans un modèle fluide. / In order to produce energy through fusion reactions, we are led to study of physical phenomena that occur in tokamaks. The instabilities that exist in tokamaks can significantly degrade the confinement and have an impact on the operation of future fusion reactors. Measurements reveal a strong radial transport. Although this is partly a consequence of collisions, the interchange instability is the dominant source to transport since the type of plasmas that interest us are weakly collisional. Within non collisional limit, the Hamiltonian description used to describe the dynamical system of charged particles in an electromagnetic field. We give importance to this description in order to access the Hamiltonian tools.We are working on modeling and control Hamiltonian of radial transport. After writing the Hamiltonian model of particles in a magnetized plasma, we introduced some reductions from Lagrangian models to Eulerian reduced models in order to accommodate some theoretical and numerical calculations. These places give the Hamiltonian fluid equations. However, we show that these reductions may lose the Hamiltonian property. In particular for a model with the ion temperature (not neglected at the center of the plasma), we show the procedure preserving the Hamiltonian property from the model without ion temperature.As for the study of radial transport, we apply one of the Hamiltonian properties (the control) to create a transport barrier by perturbations of the system. We are looking ideally the effect of control through the Lagrangian dynamics of tracers called test particles. We make particular efforts in the consideration of numerical and experimental constraints. We show the robustness of control when applying perturbations by Langmuir probes.Finally, we study the application of control in an Eulerian model describing the feedback of plasma (through the density and the electric potential) when we apply the perturbations. This step allows to take into account the coupling of the system plasma-perturbations. We use a numerical code to describe the plasma at the edge during perturbations generated by Langmuir probes. We develop an algorithm to calculate the control at all times depending on the electric potential. Finally we show that the average value of electric potential plays an important role in the implementation of control in a fluid model.

Un problème majeur en microélectronique est la contamination moléculaire aéroportée qui dégrade les substrats et les masques diminuant le rendement de production des composants. L'utilisation de boîtes de transport en polymères pour le stockage des substrats favorise la contamination moléculaire croisée entre les deux éléments. Il est alors primordial d'avoir un procédé de décontamination des boîtes efficace et rapide. Dans le cadre de cette thèse, plusieurs solutions de décontamination par plasmas ont été étudiées. Les plasmas étaient générés selon quatre couplages énergétiques en utilisant des excitations radiofréquence (13,56 MHz) et micro-onde (2,45 GHz). Ils étaient caractérisés avec une sonde de Langmuir et un spectromètre optique sous différentes conditions expérimentales. Enfin, un protocole de contamination au fluorure d'hydrogène a été développé pour évaluer et comparer l'efficacité de décontamination des procédés plasma à ceux utilisés actuellement en microélectronique. / Un problème majeur en microélectronique est la contamination moléculaire aéroportée qui dégrade les substrats et les masques diminuant le rendement de production des composants. L'utilisation de boîtes de transport en polymères pour le stockage des substrats favorise la contamination moléculaire croisée entre les deux éléments. Il est alors primordial d'avoir un procédé de décontamination des boîtes efficace et rapide. Dans le cadre de cette thèse, plusieurs solutions de décontamination par plasmas ont été étudiées. Les plasmas étaient générés selon quatre couplages énergétiques en utilisant des excitations radiofréquence (13,56 MHz) et micro-onde (2,45 GHz). Ils étaient caractérisés avec une sonde de Langmuir et un spectromètre optique sous différentes conditions expérimentales. Enfin, un protocole de contamination au fluorure d'hydrogène a été développé pour évaluer et comparer l'efficacité de décontamination des procédés plasma à ceux utilisés actuellement en microélectronique.

Les propriétés de plasmas générés par laser ont été étudiées. Dans nos conditions expérimentales et quelques soient les éléments analysés (Al, Cu, Fe, Mo, Pt), la majorité des espèces évaporées sont des ions, d'énergies typiques de 60 eV à 100 eV. Du fait des mécanismes d'excitation et recombinaison, la constante adiabatique qui gouverne la détente du plasma (température, distribution angulaire) est de l'ordre de 1.2, inférieure à la valeur 5/3 caractéristique d'un gaz monoatomique. Un fort confinement du plasma est obtenu sous un champ magnétique, B, jusqu'à 5 T. La température initiale du plasma alors déduite est de l'ordre de 100000 K. Au premier ordre, la distribution énergétique n'est pas modifiée par le champ. Du fait de la forte densité du plasma résultant du confinement, les phénomènes de recombinaison ne sont pas négligeables. Une méthode originale d'élaboration de dépôts directement structurés a été proposée, associant les effets combinés, sur un plasma, de champs magnétique et électrique.