Texte remanié de: Diss.--Fabereich Geschichte--Münster--Westfälische Wilhelms-Universität, 2000. / Bibliogr. p. 238-252. Index.

Various properties of linear infinite-dimensional Hamiltonian systems are studied. The structural stability of the Vlasov-Poisson equation linearized around a homogeneous stable equilibrium [mathematical symbol] is investigated in a Banach space setting. It is found that when perturbations of [mathematical symbols] are allowed to live in the space [mathematical symbols], every equilibrium is structurally unstable. When perturbations are restricted to area preserving rearrangements of [mathematical symbol], structural stability exists if and only if there is negative signature in the continuous spectrum. This analogizes Krein's theorem for linear finite-dimensional Hamiltonian systems. The techniques used to prove this theorem are applied to other aspects of the linearized Vlasov-Poisson equation, in particular the energy of discrete modes which are embedded within the continuous spectrum. In the second part, an integral transformation that exactly diagonalizes the Caldeira-Leggett model is presented. The resulting form of the Hamiltonian, derived using canonical transformations, is shown to be identical to that of the linearized Vlasov-Poisson equation. The damping mechanism in the Caldeira-Leggett model is identified with the Landau damping of a plasma. The correspondence between the two systems suggests the presence of an echo effect in the Caldeira-Leggett model. Generalizations of the Caldeira-Leggett model with negative energy are studied and interpreted in the context of Krein's theorem. / text

Cette thèse présente l'étude et le développement de méthodes numériques pour la résolution d'équations de transport, en particulier d'une méthode de remapping bidimensionnel dont un avantage important par rapport aux algorithmes existants est la propriété de conservation de la masse. De nombreux cas-tests permettront de comparer ces approches entre elles ainsi qu'à des méthodes de référence. On s'intéressera en particulier aux équations dites de Vlasov-Poisson et du Centre-Guide, qui apparaissent très classiquement dans le cadre de la physique des plasmas.

Thesis (Ph. D.)--American University, 1963. / Includes bibliographical references (leaves 164-166).

Les paquets d'électrons relativistes circulant dans les anneaux de stockage sont des sources de rayonnement VUV, X et THz incontournables. Cependant, ces systèmes sont également connus pour présenter des instabilités dynamiques. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à l'instabilité dite de microbunching, qui mène à l'apparition de microstructures à l'échelle millimétrique, et à l'émission de bouffées intense de rayonnement THz cohérent. L'objectif de la thèse était d'avancer dans la compréhension de la dynamique non-linéaire de ces structures, en combinant études expérimentales et numériques. Les expériences ont été effectuées au Synchrotron SOLEIL et à UVSOR, et les études numériques ont été principalement basées sur l'équation de Vlasov-Fokker-Planck. Dans un premier temps, la rapidité des échelles de temps impliquées nous a menés à réaliser des études indirectes. Des informations sur la dynamique à l'échelle picoseconde ont ainsi pu être déduites d'enregistrements au moyen de détecteurs possédant des constantes de temps beaucoup plus lentes (la microseconde), et en particulier en étudiant la réponse à des perturbations laser. Ensuite, au moyen de deux techniques nouvelles, nous avons pu réaliser les premières observations directes des structures et de leur dynamique. A UVSOR, nous avons utilisé un détecteur THz à film mince de YBCO supraconducteur. Ensuite, nous avons développé une méthode originale associant l'effet électro-optique et l'étirement temporel, ce qui nous a permis d'atteindre une résolution picoseconde, au Synchrotron SOLEIL. Ces nouvelles observations nous ont immédiatement permis de réaliser des tests extrêmement sévères des modèles théoriques. / Relativistic electron bunches circulating in storage rings are used to produce intense radiation from far-infrared to X-rays. However, above a density threshold value, the interaction between the electron bunch and its own radiation can lead to a spatio-temporal instability called microbunching instability. This instability is characterized by a strong emission of coherent THz radiation (typically 105 times stronger than the classical synchrotron radiation) which is a signature of the presence of microstructures (at mm scale) in the electron bunch. This instability is known to be a fundamental limitation of the operation of synchrotron light sources at high beam current. In this thesis, we have focused on this instability from a nonlinear dynamics point of view by combining experimental studies carried out at the Synchrotron SOLEIL and UVSOR storage rings with numerical studies mainly based on the Vlasov-Fokker-Planck equation. In a first step, due to the very indirect nature of the experimental observations, we have sought to deduce information on the microstructure wavenumber either by looking at the temporal evolution of the THz signal emitted during the instability or by studying the response of the electron bunch to a laser perturbation. In a second step, we have achieved direct, real time observations of the microstructures dynamics through two new, very different, detection techniques: a thin-film superconductor-based detector at UVSOR, and a spectrally-encoded electro-optic detection technique at SOLEIL. These new available experimental observations have allowed severe comparisons with the theoretical models.

Recent missions to solar system comets, such as ESA's Rosetta mission, raise interest for models and descriptions of their plasma environment. The interaction with various space phenomena such as stellar wind make the construction of an analytical description difficult. Instead, a simplified view of the comet environment is considered where the effects of magnetism and departures from radial symmetry are neglected. This is done in an effort to construct an approximation of the comet plasma behaviour later to be compared against observational accounts to find which plasma features are dependent on more complex phenomena and which plasma features arise as a result of the simpler comet view. Several attempts are made to construct an analytical description of comet plasma as based on the description within another branch of plasma physics: fusion. Previous work regarding the vacuum expansion of plasma after a stationary target is rapidly ablated via high-intensity lasers appears promising for adaptation to the comet environment. Before the comet environment can be considered the different natures of the two problems have to be considered. For example, the comet case is a stationary expansion problem as opposed to fast-ignition fusion where the expansion is treated as an initial value problem. Having accounted for the problems' inherent differences, a few methods are proposed to convert solutions of lab fusion distribution functions to the comet case. Additionally, a numerical approach to calculate the distribution function of comet electrons is presented employing ergodic invariance. Lastly, a toy-model simulation of the timescale for variations in the potential show that the error in the ergodic invariance may in practice have a faster convergent timescale dependence than theoretical bounds suggest. Optimistically, this suggest the possibility of future use in numerical attempts at modelling comet plasma.

Cette thèse présente quatre travaux de recherche mêlant probabilités et analyse, ayant en commun de s'appuyer sur l'intuition physique, tant dans la position des problèmes que dans leur résolution : 1. On borne les probabilités de transition des chaînes de Markov réversibles discrètes, améliorant la borne de Carne grâce à une démonstration alternative. 2. On démontre la convergence vers la limite de champ moyen dans une approche uniforme et non asymptotique pour un modèle de Boltzmann spatialement homogène. 3. On étudie le coefficient de rho-mélange entre deux tribus, montrant en particulier comment cette quantité peut être tensorisée dans un cadre général, ce qui implique des résultats de décorrélation entre groupes infinis de spins en physique statistique. 4. On s'intéresse, pour une équation de McKean-Vlasov, à la stabilité de l'équilibre homogène en fonction de la température, minorant notamment l'énergie d'activation.

Ce manuscrit comporte trois parties distinctes, la première concerne la simulation numérique d'écoulements de fluides. La deuxième partie porte sur les équations de l'électromagnétisme et leur couplage avec les équations cinétiques de Vlasov dans le cadre de simulations numériques en physique des plasmas. La dernière partie évoque rapidement des travaux qui ont donné lieu à des publications mais qui ne rentrent pas complètement dans un des deux cadres abordés précédemment. Dans la première partie, l'objectif est d'étendre aux maillages triangulaires non structurés une méthode numérique éprouvée pour résoudre les équations de Stokes bidimensionnelles : la méthode Marker And Cell qui a été développée sur des maillages en quadrilatères quasi-réguliers dans les années 60. L'idée proposée pour cela est de résoudre le problème de Stokes avec pour variables le tourbillon, la vitesse et la pression. Alors que les résultats numériques obtenus sur des maillages réguliers sont satisfaisants, ceux sur des maillages non structurés ne le sont pas. Il s'est avéré lors de l'étude théorique que ce problème est un problème de stabilité. On montre théoriquement et numériquement que la formulation tourbillon-vitesse-pression est une généralisation de la formulation fonction courant-tourbillon permettant la prise en compte de conditions limites plus générales. L'instabilité, due à des fonctions harmoniques discrètes, peut être levée en utilisant de véritables fonctions harmoniques, calculées à l'aide de leur représentation intégrale, dans le schéma numérique. On résout ainsi l'instabilité de la formulation fonction courant-tourbillon et on améliore les précédents résultats de convergence connus de cette formulation. En particulier, on démontre alors une convergence en moyenne quadratique du tourbillon de l'ordre de 3/2 à 2 dans les cas les plus réguliers (contre un-demi avant). Puis on utilise le fait que la formulation tourbillon-vitesse-pression est équivalente à la formulation fonction courant-tourbillon pour redéfinir une nouvelle formulation tourbillon-vitesse-pression. En effet, il est bien connu que la formulation classique en fonction courant-tourbillon (n'utilisée qu'en deux dimensions d'espace) est mal posée lorsque l'on cherche le tourbillon dans l'espace de Sobolev H1 car son gradient n'est alors pas contrôlé, mais bien posée dans un autre espace de fonctions moins régulières. On étend alors ce résultat au cas tri-dimensionnel et l'on obtient une nouvelle formulation en tourbillon-vitesse-pression bien posée dans un nouvel espace. On démontre aussi théoriquement que ce nouvel espace est bien celui introduit en 2D, ce qu'on confirme par des résultats numériques. La deuxième partie concerne la résolution d'équations cinétiques intervenant dans la simulation directe des plasmas et des faisceaux de particules chargées (modèles de Vlasov-Poisson ou Vlasov-Maxwell). Grâce à l'augmentation de la puissance de calculs des ordinateurs, la simulation de l'évolution des plasmas et des faisceaux de particules basée sur une résolution directe de l'équation de Vlasov sur un maillage de l'espace des phases devient une alternative aux méthodes particulaires (Particle In Cell) habituellement employées. La force de ces simulations directes réside dans le fait qu'elles ne sont pas bruitées (contrairement aux méthodes PIC) et que l'approximation est de même résolution sur tout l'espace des phases, en particulier dans les régions à faible densité de particules où des phénomènes physiques importants ont lieu. L'inconvénient principal est que beaucoup de points sont inutiles car la fonction de distribution des particules y est nulle, ce qui rend ces méthodes directes coûteuses en temps de calcul. On introduit alors une méthode de résolution directe de l'équation de Vlasov sur un maillage {\bf{mobile}} de l'espace des phases. Ce qui permet de ne mailler que la partie de l'espace des phases sur laquelle la fonction de distribution des particules est {\emph{a priori}} non nulle. Nous avons utilisé avec succès cette méthode de maillage mobile en 1D afin de simuler un problème d'interaction laser-plasma. Nous introduisons donc un maillage mobile de l'espace des phases qui suit parfaitement le développement des instabilités et permet de réduire drastiquement le temps de calcul. Nous avons aussi obtenu les premiers résultats d'une méthode de maillage mobile en 4D en couplant le maillage mobile et une méthode de décomposition de domaines. \\ En ce qui concerne la résolution des équations de Vlasov-Maxwell : nous travaillons sur le développement d'un solveur Maxwell éléments finis d'arêtes d'ordre élevé couplé à un code PIC en trois dimensions d'espaces (6D de l'espace des phases). Un point important afin que le couplage fonctionne est que l'équation de conservation de la charge doit être vérifiée au niveau numérique à chaque pas de temps. Ce qui implique que le courant obtenu à partir de l'évolution de l'équation de Vlasov doit être calculé d'une façon bien particulière. Les premiers résultats obtenus en 2D confirment que la méthode de calcul du courant proposée conserve bien la charge comme attendu.

Le filtrage non-linéaire des mesures ponctuelles d'un fluide turbulent était un sujet vierge, nous donnons ici des modélisations stochastiques et des filtres pertinents. Nous avons défini et étudié le processus d'acquisition d'un champ vectoriel le long d'un chemin aléatoire. Nous avons proposé des algorithmes de filtrage non-linéaire pour les processus à champ moyen et démontré la convergence des approximations particulaires. Nous avons remanié les modèles Lagrangiens du fluide proposés par les physiciens en fermant ces équations par un conditionnement en les couplant à l'observation et au processus d'acquisition. Nos algorithmes permettent alors de filtrer les mesures de vitesses d'un fluide turbulent simulées ou réelles en écoulement 1D à 3D.

Cette thèse concerne l'homogénéisation, ou limite semi-classique, des transformées de Wigner associées à des suites bornées L^2 solutions d'une équation de Schrödinger ou d'un système hyperbolique linéaire du premier ordre. On établit diverses équations de transport satisfaites par les mesures de Wigner limites lorsque qu'un petit paramètre tend vers zéro. <br /><br />Une première partie résume les propriétés générales de la transformation en rappelant son lien avec le calcul pseudo-différentiel. <br /><br />Une seconde partie étudie la perturbation des hamiltoniens périodiques par des potentiels réguliers apériodiques au moyen d'estimations de commutation concernant les décompositions de Bloch. <br /><br />Une troisième partie étudie sous une hypothèse de couplage faible l'homogénéisation de certains milieux aléatoires évoluant chaotiquement selon une dynamique réversible mais gouvernés en moyenne par une dynamique irréversible de type Bolztmann. <br /><br />Une quatrième partie clarifie au moyen du formalisme des transformées de Wigner un résultat connu d'existence-unicité pour la hiérarchie infinie BBGKY du problème de Schrödinger à N particules, lorsque N tend vers l'infini, dans l'approximation de champ moyen.