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L'allumage par choc est un schéma de fusion réalisé en attaque directe qui se décompose en deux étapes. La première consiste en une compression de plusieurs nanosecondes à l'aide de faisceaux de quelques 1014 W/cm2 et la seconde en l'utilisation de faisceaux d'intensité supérieure à plusieurs 1015 W/cm2 pour créer un choc convergent déclenchant l'ignition. Le couplage du laser lors de la seconde étape soulève plusieurs questions. En effet, le laser doit traverser un plasma sous critique chaud, de taille millimétrique avant de déposer son énergie et créer le choc. Dans ce domaine mal connu expérimentalement et numériquement, on ne sait pas quelle sera la fraction d'énergie absorbée ou comment vont influer les instabilités paramétriques sur la propagation. Dans ce manuscrit, nous proposons une étude expérimentale de l'interaction d'un faisceau d'intensité comprise entre 2.1015 W/cm2 et 2.1016 W/cm2 dans un plasma de l'ordre du millimètre et à une température proche du keV. D'abord, nous présentons les conditions d'interaction dans le plasma coronal. L'instabilité Brillouin est en régime de couplage fort, l'instabilité Raman est en régime cinétique et l'intensité est au-dessus du seuil de filamentation pondéromotrice. Expérimentalement, nous approchons au mieux les conditions hydrodynamiques données par l'étude théorique en utilisant des cibles de mousses et des feuilles minces préformées. Nous présentons les premières mesures résolues en temps des spectres rétrodiffusés du faisceau picoseconde, lissé par une lame de phase aléatoire, ainsi que la distribution d'intensité transmise dans ce type de plasma. Nous mettons en évidence des mesures d'énergie rétrodiffusée par l'instabilité Brillouin pouvant atteindre 60% de l'énergie incidente pour les densités électronique de plasma les plus importantes. L'instabilité Raman n'induit quant à elle, pas de perte d'énergie conséquente. En ce qui concerne la distribution de l'intensité transmise, nous observons un lissage et une augmentation du diamètre de cette dernière par rapport à la tache focale à vide. Enfin nous surlignons l'importance de la prise en compte des instabilités paramétriques quant à la réussite du schéma d'allumage par choc en complétant nos observations avec résultats obtenus pour des impulsions nanoseconde moins intenses.
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L'OBJECTIF DE CETTE THESE EST DE COMPRENDRE ET D'ANALYSER LES PROCESSUS PHYSIQUES SUSCEPTIBLES D'ACCELERER DES ELECTRONS A DES ENERGIES RELATIVISTES, LORS DE L'INTERACTION D'UNE IMPULSION LASER ULTRA INTENSE (ECLAIREMENT LASER SUPERIEUR A 10#1#9W/CM#2) AVEC DES ELECTRONS DANS LE VIDE OU UN PLASMA. CES TRAVAUX S'INSCRIVENT DANS LE CADRE DE LA FUSION PAR CONFINEMENT INERTIEL AVEC LA NOUVELLE APPROCHE DE L'ALLUMEUR RAPIDE. CETTE THESE SE COMPOSE DE TROIS ETUDES EXPERIMENTALES SUR L'ACCELERATION D'ELECTRONS. LES RESULTATS DE CES EXPERIENCES SONT INTERPRETES EN LES COMPARANT A CEUX DONNES PAR DES MODELES THEORIQUES PRESENTES DANS CE RAPPORT : (I) L'ACCELERATION D'ELECTRONS DANS LE VIDE PAR L'IMPULSION LASER EST MISE EN EVIDENCE EXPERIMENTALEMENT. DES ELECTRONS D'ENERGIE INITIALE DE 1 A 10 KEV ENVIRON, SONT ACCELERES A DES ENERGIES VOISINES DE 1 MEV. CES RESULTATS SONT EN BON ACCORD AVEC DES SIMULATIONS DE PROPAGATION D'ELECTRONS LIBRES SOUMIS A UNE ONDE ELECTROMAGNETIQUE INTENSE, SPATIALEMENT ET TEMPORELLEMENT FINIE. (II) LE ROLE DE LA FORCE PONDEROMOTRICE DANS LA PRODUCTION D'ELECTRONS RELATIVISTES (0,4 A 3 MEV) LORS DE L'INTERACTION D'UN FAISCEAU LASER ULTRA INTENSE AVEC UN PLASMA SURDENSE ET PRESENTANT UN PROFIL DE DENSITE TRES RAIDE EST ICI DEMONTRE EXPERIMENTALEMENT. LES RESULTATS EXPERIMENTAUX SONT EN BON ACCORD AVEC UN MODELE D'ACCELERATION D'ELECTRONS DANS CE REGIME OU LA TEMPERATURE CHAUDE T#H EST EGALE A L'ENERGIE D'OSCILLATION D'UN ELECTRON DANS LE CHAMP LASER. (III) DANS LE CAS DE L'ACCELERATION D'ELECTRONS (0,5 A 20 MEV), LORS DE L'INTERACTION DU FAISCEAU LASER AVEC UN PLASMA PREFORME SOUS CRITIQUE ET LONG, DEUX TEMPERATURES SUPRATHERMIQUES ET DES CANAUX DE CREUSEMENT DE DENSITE ELECTRONIQUE SONT OBSERVES. CES OBSERVATIONS SONT A PRIORI LA SIGNATURE DE LA FORCE PONDEROMOTRICE OU DE LA DIFFUSION RAMAN AVANT DANS UN CANAL CREE PAR L'AUTOFOCALISATION PONDEROMOTIVE ET RELATIVISTE DE L'IMPULSION LASER.
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Cette thèse constitue une étude théorique et numérique de la détente d'un plasma dans le vide. Elle fournit une compréhension globale des mécanismes d'expansion de plasmas avec une fonction de distribution des électrons bi-Maxwellienne (avec une température d'électrons " chaude " et une température " froide "). Dans la première partie, on étudie les caractéristiques (amplitude, position, structure microscopique, etc) du choc de raréfaction qui apparaît dans le plasma si le rapport des températures chaude et froide est supérieure à 9.9. Cette étude est réalisée avec un modèle semi-infini; le plasma est une source infinie de particules et d'énergie. Les expressions analytiques des grandeurs de l'écoulement sont établies. Le comportement de la structure du plasma pour les différents régimes d'expansion est précisé. Les effets du choc de raréfaction sur l'accélération des ions sont brièvement étudiés. Les simulations numériques effectuées avec un code hybride 1-D sont comparés aux résultats du modèle analytique. Dans la seconde partie, on évoque l'expansion d'une feuille mince avec un code cinétique unidimensionnel. Contrairement au modèle de plasma semi-infini, la fonction de distribution des électrons n'est pas maintenue Maxwellienne dans le temps, mais sa dynamique est gouvernée par l'équation de Vlasov. Cette description permet de tenir compte des transferts d'énergie entre les composantes chaude, froide et les ions. Les résultats de ce code sont utilisés pour comprendre le chauffage initial des électrons froids qui se produit dans les plasmas dominés initialement par les électrons chauds. Une expression de la température froide au cours de l'accélération de l'onde de raréfaction est établie. Pour un plasma avec des paramètres initiaux similaires à ceux obtenus lors de l'interaction d'une impulsion laser ultra-intense avec une cible, on met en évidence un refroidissement global des électrons sur des échelles de temps différentes, puis une réduction de l'amplitude du choc de raréfaction (et du creusement du spectre des ions)
Author: Arnaud André Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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Lors de le la propagation d'une impulsion laser ultra- intense et ultra-brève dans un plasma sous dense une onde de plasma se forme dans son sillage, susceptible d'accélérer des électrons à des énergies élevées sur de très courtes distances. Dans un régime d'excitation extrêmement non-linéaire, connu sous le nom de régime de la bulle, on peut obtenir des faisceaux mono-énergétiques d'électrons relativistes. Si les faisceaux d'électrons issus de l'interaction sont aujourd'hui bien caractérisés, de nombreux paramètres de l'interaction restent inaccessibles, faute de diagnostics adaptés. Nous avons tenté de répondre à cette problématique au cours de cette thèse, en étudiant à l'aide de simulations numériques comment interpréter le rayonnement issu de l'interaction pour déterminer la dynamique du milieu.La première partie de l'étude est consacrée aux propriétés du rayonnement des électrons accélérés, qui s'étend jusque dans le domaine des X. L'étude des caractéristiques de l'émission doit pouvoir renseigner sur le mouvement des électrons du milieu et plus généralement sur l'interaction laser-plasma. Les études menées dans le cadre de cette thèse montrent qu'en effet l'observation du rayonnement permet de déterminer la direction des électrons du faisceau en fin d'accélération, et dans une certaine mesure, leur répartition à l'intérieur du faisceau.La deuxième partie concerne la propagation en milieu sous dense. Le plasma perturbe l'impulsion au cours de sa propagation, modifiant ses caractéristiques spatiales et spectrales. Nous avons étudié ces effets lorsque le milieu est constitué d'un gaz d'azote puis d'argon. Nos résultats mettent en évidence les contributions respectives de l'auto-modulation de l'impulsion ainsi que celle du gradient de densité électronique créé par l'ionisation des gaz dans leurs différents états de charge. L'étude a été poursuivie dans des conditions d'accélération exploitant un gaz plus léger et à plus haute intensité, dans le régime de la bulle. Nous avons identifié l'origine des variations des conditions d'interaction observées dans la première partie.
Author: Kévin Lewis Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 242
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L'étude de la propagation d'un faisceau laser intense dans un plasma chaud est très importante pour la fusion thermonucléaire par confinement inertiel. Nous présentons dans ce travail de thèse des expériences réalisées à l'aide d'un faisceau laser focalisé au plus proche de la limite de diffraction, afin de simplifier la géométrie de l'interaction laser plasma, et de comparer les résultats obtenus avec ceux de simulations numériques adaptées aux conditions de l'expérience. Nous étudions la modification de la distribution d'intensité laser au cours du temps, et en différents plans de propagation, à partir de l'imagerie résolue en temps et en espace de cette distribution d'intensité, en champ proche et en champ lointain. Nous présentons notamment la première observation expérimentale de l'instabilité de filament, l'éclatement du faisceau fonction du temps, de l'espace, du gradient de vitesse. Nous donnons enfin la première et unique observation d'images de la localisation transverse de la rétrodiffusion Brillouin stimulée.
Author: David Patin Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 216
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This thesis takes place in the field of high intensity laser-plasma interaction. The aim was to highlight the stochastic heating effect. This phenomenon comes from the chaotic behavior of the plasma electrons. In order to have a simple theoretical model, two assumptions were made : underdense plasma and high intensity laser. The second one is equivalent to a>1 (where a is the normalized vector potential, a=eE0/mcw0 with (-e) the electron charge, E0 the electric field of the laser, m the electron mass, c the speed of light in vacuum and w0 the pulsation of the laser), so we need a relativistic approach of the system. The hamiltonian formalism is used in order to get information from our system. Using the Chirikov criterion, a set of parameters was deduced in order to get global stochasticity. Then, particle in cell simulations were performed in order to validate theoretical predictions. The influence of several parameters on the energy gain has been studied. Finally, a first numerical test was performed for protons acceleration.
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Ce travail présente une étude originale de l'interaction laser-matière en régime nanoseconde à l'aide d'une double approche expériences-modélisation numérique. L'approche expérimentale vise à caractériser les plasmas produits par laser et l'empreinte laissée par le faisceau laser sur la cible. L'approche numérique s'appuie sur un modèle 1D qui permet de décrire le chauffage de la cible par le laser, l'ablation de matière et la formation d'un plasma dans cette matière ablatée dûe à l'interaction avec le laser. Des comparaisons des résultats obtenus par les deux approches permettent d'évaluer le degré de précision des résultats issus du modèle. Ces comparaisons se limitent aux 100 premières nanosecondes d'expansion du plasma. Nous montrons ainsi que le modèle décrit assez bien l'écrantage du faisceau laser par le plasma, l'expansion du plasma et la propagation de l'onde de choc dans le gaz ambiant. De plus, les valeurs des seuils d'ablation et de formation du plasma sont calculées avec une bonne précision. En revanche, des écarts sont constatés pour la modélisation des processus d'interaction entre le laser et la cible. Le degré de précision du modèle est au final suffisamment bon pour nous permettre d'étudier précisément l'effet du gaz ambiant sur les propriétés et la dynamique du plasma.
Author: Guy Bonnaud Publisher: Editions Ellipses ISBN: 2340073855 Category : Science Languages : fr Pages : 720
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Cet ouvrage présente l’ensemble des processus induits par l’interaction laser-plasma : la chaîne des processus est détaillée suivant sa chronologie. Les modèles théoriques et les solutions analytiques décrits sont accompagnés de résultats de simulation numérique à différents degrés de complexité. Il propose une large interface avec les mathématiques appliquées. Cet ouvrage s'adresse aux étudiants en master de physique, aux élèves-ingénieur, aux doctorants et aux cercheurs en physique.
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De part ses nombreuses applications scientifiques et sociétales comme la radiographie protonique ou encore la protonthérapie, l'accélération d'ions par laser suscite un grand intérêt. Cette thèse s'inscrit dans ce cadre et présente une étude de l'interaction d'une impulsion laser d'intensité relativiste avec un plasma de densité modérée. Dans ce régime, le plasma est transparent à l'onde laser et les électrons oscillent à des vitesses relativistes dans le champ de l'onde incidente. Ces conditions sont favorables à un transfert efficace de l'énergie laser vers le plasma, et donc sont intéressantes pour l'accélération d'ions par laser. Ce régime permet également la création de solitons électromagnétiques et acoustiques dont les mécanismes de formation et les propriétés nécessitent une meilleur compréhension. Nous réalisons une étude détaillée de simulations Particle-In-Cell (réalisées avec le code OCEAN) de l'interaction d'une impulsion laser intense avec un plasma sous dense. Nous montrons que la diffusion Raman stimulée (SRS) dans le régime relativiste est le principal processus responsable de l'absorption de l'énergie laser par le plasma et qu'il est, en outre, très efficace puisqu'il permet de transférer près de 70 % de l'énergie de l'impulsion laser aux électrons. Cette instabilité apparaît dans des plasmas dont la densité est nettement supérieure à la densité quart-critique du fait de la diminution de la fréquence plasma électronique et se développe sur des temps très courts. Il permet ainsi un chauffage homogène des électrons tout le long de la propagation de l'impulsion laser à travers le plasma. Ces électrons participent à la détente du plasma, et créent sur ses bords raids un champ électrostatique permettant l'accélération des ions. Ces derniers gagnent 30 % de l'énergie laser initiale. Nous avons aussi développé un modèle simple qui permet de prédire et donc d'optimiser le taux de rétro-diffusion du plasma du fait du développement de l'instabilité SRS. Nous nous intéressons également à la séquence des processus permettant la formation des cavités électromagnétiques. Cette analyse souligne le rôle joué par l'instabilité modulationnelle ou de Benjamin-Feir sur le front de l'impulsion laser qui est divisée en un train de plusieurs solitons électromagnétiques. À l'aide d'une étude détaillée, nous montrons que ces solitons excitent des ondes plasmas dans leur sillage en se propageant dans le plasma, perdent de l'énergie et finissent par être piégés. Ils forment également des dépressions (cavités) des densités électroniques et ioniques du plasma. Ces cavités sont des pièges pour les champs électromagnétiques rayonnés par le plasma (par exemple du fait de l'instabilité SRS) et survivent grâce à un équilibre entre la pression de radiation des champs piégés et les pressions cinétiques électroniques à leurs bords. Ces cavités absorbent une part importante de l'énergie laser mais elles n'en conservent qu'une partie sous forme d'énergie électromagnétique piégée. Le reste de l'énergie permet l'expansion de la cavité, la génération de solitons acoustiques supersoniques et l'accélération de particules.
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Le caractère éminemment cinétique et hors équilibre de l'interaction laser-plasma et du transport électronique nécessite de résoudre le système complet des équations de Vlasov-Maxwell. Cette thèse se concentre sur les méthodes PIC (‘‘Particle-In-Cell''), et vise à en accroître le régime de fonctionnement. Tout d'abord, nous présentons l'analyse de stabilité linéaire d'un algorithme PIC explicite incluant l'effet de la discrétisation spatio-temporelle. Cette analyse met en exergue l'instabilité d'aliasing, que nous relions au problème, plus général, du chauffage numérique dans les codes PIC en régime surcritique. Nous montrons l'influence bénéfique de la montée en ordre du facteur de forme pour réduire ce chauffage, permettant ainsi d'atteindre des régimes de densité jusque là inaccessibles. Les codes PIC implicites ne sont pas soumis aux mêmes contraintes de stabilité que leurs équivalents explicites. En particulier nous ne sommes plus tenus de résoudre les modes haute fréquence électroniques. Une telle propriété est particulièrement précieuse lorsqu'on modélise l'interaction entre un laser à ultra-haute intensité et un plasma fortement sur-critique. Nous présentons ici l'extension relativiste de la méthode implicite dite directe, en y incluant un paramètre d'amortissement ajustable et des facteurs de forme d'ordre élevé. Ce formalisme a été implémenté dans le code ELIXIRS, 2D en espace et 3D en vitesse. Ce code est validé sur de nombreux problèmes de physique des plasmas, allant de l'expansion d'un plasma à une ou deux températures électroniques, à l'interaction laser-plasma à haut-flux, en passant par les instabilités ‘‘deux faisceaux'' et de filamentation en régime relativiste. Nous montrons notamment la capacité du code à capturer les principales caractéristiques de l'interaction laser-plasma, malgré une discrétisation spatio-temporelle dégradée, autorisant ainsi des gains substantiels en temps de calcul.
Author: Clément Goyon
Author: GERARD.. MALKA
Author: Abdourahmane Diaw
Author: Arnaud André
Author: Kévin Lewis
Author: David Patin
Author: Guillaume Clair
Author: Guy Bonnaud
Author: Julien Moreau
Author: Mathieu Drouin