Tesi sul tema "Résonance lower-Hybrid du plasma"

De nos jours, les plasmas sont principalement utilisés à des fins industrielles. L'un des exemples les plus fréquemment cités d'utilisation industrielle est la production d'énergie électrique via des réacteurs nucléaires à fusion. Pour contenir le plasma correctement à l'intérieur du réacteur, un champ magnétique est imposé en arrière-plan, et la densité et la température du plasma doivent être précisément contrôlées. Cela est effectué en envoyant des ondes électromagnétiques à des fréquences et dans des directions spécifiques en fonction des caractéristiques du plasma.La première partie de cette thèse de doctorat est consacrée à l'étude du modèle du plasma avec un fort champ magnétique en arrière-plan, ce qui correspond à un métamatériau hyperbolique. L'objectif est d'étendre les résultats existant en 2D au cas 3D et de dériver une condition de radiation. Nous introduisons une séparation des champs électriques et magnétiques ressemblant à la décomposition TE et TM habituelle, puis nous présentons quelques résultats sur les deux problèmes résultants. Les résultats sont dans un état très partiel et constituent un brouillon approximatif sur le sujet.La deuxième partie étudie l'EDP dégénérée associée aux ondes résonantes « lower-hybrid » dans le plasma. Le problème aux limites associé est bien posé dans un cadre variationnel « naturel ». Cependant, ce cadre n'inclut pas le comportement singulier présenté par les solutions physiques obtenues via le principe d'absorption limite. Ce comportement singulier est important du point de vue physique car il induit le chauffage du plasma mentionné précédemment. Un des résultats clés de cette deuxième partie est la définition d'une notion de saut à travers l'interface à l'intérieur du domaine, ce qui permet de caractériser la décomposition de la solution d'absorption limite en parties régulière et singulière
Nowadays, plasmas are mainly used for industrial purpose. One of the most frequently cited examples of industrial use is electric energy production via fusion nuclear reactors. Then, in order to contain plasma properly inside the reactor, a background magnetic field is imposed, and the density and temperature of the plasma must be precisely controlled. This is done by sending electromagnetic waves at specific frequencies and directions depending on the characteristics of the plasma.The first part of this PhD thesis consists in the study of the model of plasma in a strong background magnetic field, which corresponds to a hyperbolic metamaterial. The objective is to extend the existing results in 2D to the 3D-case and to derive a radiation condition. We introduce a splitting of the electric and magnetic fields resembling the usual TE and TM decomposition, then, it gives some results on the two resulting problems. The results are in a very partial state, and constitute a rough draft on the subject.The second part consists in the study of the degenerate PDE associated to the lower-hybrid resonant waves in plasma. The associated boundary-value problem is well-posed within a ``natural'' variational framework. However, this framework does not include the singular behavior presented by the physical solutions obtained via the limiting absorption principle. Notice that this singular behavior is important from the physical point of view since it induces the plasma heating mentioned before. One of the key results of this second part is the definition of a notion of weak jump through the interface inside the domain, which allows to characterize the decomposition of the limiting absorption solution into a regular and a singular parts

The whole universe is filled with plasma. There are different kinds of plasmas filling large volumes, separated by distinct boundaries. Many important energy conversion, particle acceleration and plasma transport processes occur at these boundaries, and therefore it is important to study the plasma processes there. It will for example help us to better understand the interaction and energy exchange between the Sun and the Earth. The lower hybrid drift waves (LHDW) are strong plasma waves that are often excited within boundaries, but their role in different plasma processes are still unclear. Many studies of the LHDW have been done, both in space and in laboratory. However, the LHDW are electron scale waves, and due to their small wavelength it has been difficult to study them in detail experimentally. For the first time we are able to make very detailed studies of the LHDW using observations by the Cluster spacecraft in the plasma surrounding Earth. By making cross spacecraft correlations of the electric field and examining existence conditions, we were able to determine the velocity of propagation and wavelength of the waves and thereby identify them as LHDW. We also calculate the electrostatic potential and find that it corresponds to about a third of the electron temperature. This indicate that they might be able to affect the electrons and thus take part in the processes within the boundary layer. By deriving a linear relation between the electrostatic potential, and the wave magnetic field, we compare them both and find that they correspond very well. We can use this to estimate the electrostatic potential in cases when cross spacecraft correlation is not possible.

Thesis: Ph. D., Massachusetts Institute of Technology, Department of Nuclear Science and Engineering, 2014.
Cataloged from PDF version of thesis.
Includes bibliographical references (pages 195-204).
In this thesis, two experimental investigations are presented in an attempt to understand the loss of lower hybrid current drive (LHCD) efficiency in reactor-relevant, high-density plasmas on the diverted Alcator C-Mod tokamak. While the previous work has identified that edge interactions, such as collisional absorption and excessive up-shift of the parallel refractive index due to full-wave effects, could potentially explain the observed loss of LHCD efficiency in a wide range of line-averaged densities, these simulations still over-predict the fast electron population generated by LHCD above line-averaged densities of 1 x 10²⁰ m- ³. It is critical to identify remaining mechanisms in order to demonstrate advanced tokamak operation at reactor-relevant densities. The first investigation is to perform microwave backscattering experiments to detect electrostatic lower hybrid (LH) waves in the scrape-off layer (SOL), where a significant amount of the injected LH power may be deposited due to a number edge loss mechanisms. An existing ordinary-mode (O-mode) reflectometer system has been modified to measure the backscattered O-mode wave as a result of Bragg backscattering of the incident O-mode wave off the LH wave. The detection of LH waves in a region that is not magnetically connected to the launcher implies a weak single pass absorption of LH waves in high density plasmas. The observed spectral width of the backscattered signals indicates the presence of non-linear effects on the propagation of LH waves, but no experimental evidence is found to confirm whether the non-linear mechanism that is responsible for the observed spectral broadening is responsible for the observed loss of LHCD efficiency. The second investigation is to examine the change in LH frequency spectra due to density-dependent non-linear effects, such as parametric decay instability (PDI) above the line-averaged density of 1 x 10²⁰ m-³, using the probes installed on the launcher, outer divertor, and inner wall. Ion cyclotron PDI is found to be excited above line-averaged densities of 1 x 10²⁰ m -³, suggesting that ion cyclotron PDI may be a remaining mechanism to understand the loss of LHCD efficiency. Ion cyclotron PDI is observed to be excited not only at the low-field-side edge but also at the high-field-side (HFS) edge of Alcator C-Mod, further corroborating that LH waves are weakly absorbed on their first pass. Evidence of pump depletion is found with the onset of ion cyclotron PDI at the HFS edge in lower-single-null plasmas. However, no apparent pump depletion is seen when the magnetic geometry is switched to an upper-single-null. Moreover, ion cyclotron PDI is excited at the LFS edge in this case. Thus, the role of the observed ion cyclotron PDI on the loss of LHCD efficiency needs further experimental investigation to be conclusive due to the different ion cyclotron PDI strength and excitation location, depending on magnetic configurations. A summary of the new findings of this thesis is as follows: First measurements of PDI below the classical threshold (wo/wLH(0) ~~ 2). First ever observation of PDI on HFS of a tokamak and its relationship to being in a multi-pass damping regime. " Advancement of PDI as a candidate mechanism for the LHCD density limit.
by Seung Gyou Baek.
Ph. D.

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 1992.
Includes bibliographical references (p. 229-235).
by Jeffrey Alan Colborn.
Ph.D.

Cette thèse fournit en premier lieu une brève introduction à la fusion nucléaire par confinement magnétique et aux tokamaks. Elle explique la nécessité de disposer de systèmes électromagnétiques aux fréquences cylctronique ionique (ICRF) et hybride basse (LHRF) pour le chauffage du plasma et la génération de courant. En second lieu les conditions à satisfaire afin d’assurer une propagation de l'onde plasma et une résonance onde-particules sont définies. Le solveur de réseaux hyperfréquences SIDON, développé pour cette thèse, est ensuite présenté. La thèse aborde ensuite les types d'antennes ICRF et l'adaptation d'impédance des réseaux de boucles rayonnantes. Les antennes ICRF de WEST sont présentées en détail et des simulations faites avec SIDON de scénarios d'adaptation d'impédance sont discutées. La thèse discute d’un banc de test faible puissance (milliwatt) développé pour les antennes ICRF de WEST ainsi que la caractérisation à faible puissance de la première d’entre elles. De plus, des expériences à forte puissance (mégawatt) avec l'antenne ITER-Like Antenna de JET sont discutées. Les antennes LHRF sont ensuite abordées ainsi que la modélisation numérique du couplage de réseaux phasés de guide d'ondes au plasma. La conception d'ASTARTE-LP et de son circuit d’excitation est discutée. ASTARTE-LP est un prototype faible puissance (milliwatt) d’une antenne basée sur le concept de guides à fentes et qui a été conçu pour être testé sur COMPASS. Enfin, la validation expérimentale d'ASTARTE-LP et de son circuit d’excitation avant les expériences sur COMPASS, ainsi que les expériences sur COMPASS, sont discutées
The thesis provides at first a brief introduction to magnetic nuclear fusion and tokamaks. It explains the need for auxiliary plasma heating and current-drive electromagnetic systems at the Ion Cyclotron and Lower Hybrid Range of Frequencies (ICRF and LHRF). The thesis then sets antenna specifications that allow satisfying proper plasma wave propagation and proper wave-particle resonance. The Radio Frequency (RF) network solver SIDON developed for this thesis is then presented. The thesis then discusses the different types of ICRF antennas and details the challenges of the impedance matching in ICRF arrays of straps. WEST ICRF launchers are discussed in great detail and simulations of impedance matching scenarios for these launchers using SIDON are reported. The thesis reports on the low-power (milliwatt range) testbed that has been developed for WEST ICRF launchers, as well as the low-power tests of the first one among them. Furthermore, high power (megawatt range) experiments on plasma with the JET ICRF ITER-Like Antenna are reported. The thesis then provides an overview about existing LHRF antennas and discusses the numerical modeling of the coupling of waveguide phased arrays to the plasma. The RF design of ASTARTE-LP and its feeding circuit is discussed. ASTARTE-LP is a low-power (milliwatt range) prototype LHRF antenna based on the Slotted Waveguide Antenna concept that has been designed and built to perform proof of principle experiments on the COMPASS tokamak. The experimental validation of ASTARTE-LP and its feeding circuit before the experiments on COMPASS, as well as the experiments performed on COMPASS plasmas are reported

Cette thèse fournit en premier lieu une brève introduction à la fusion nucléaire par confinement magnétique et aux tokamaks. Elle explique la nécessité de disposer de systèmes électromagnétiques aux fréquences cylctronique ionique (ICRF) et hybride basse (LHRF) pour le chauffage du plasma et la génération de courant. En second lieu les conditions à satisfaire afin d’assurer une propagation de l'onde plasma et une résonance onde-particules sont définies. Le solveur de réseaux hyperfréquences SIDON, développé pour cette thèse, est ensuite présenté. La thèse aborde ensuite les types d'antennes ICRF et l'adaptation d'impédance des réseaux de boucles rayonnantes. Les antennes ICRF de WEST sont présentées en détail et des simulations faites avec SIDON de scénarios d'adaptation d'impédance sont discutées. La thèse discute d’un banc de test faible puissance (milliwatt) développé pour les antennes ICRF de WEST ainsi que la caractérisation à faible puissance de la première d’entre elles. De plus, des expériences à forte puissance (mégawatt) avec l'antenne ITER-Like Antenna de JET sont discutées. Les antennes LHRF sont ensuite abordées ainsi que la modélisation numérique du couplage de réseaux phasés de guide d'ondes au plasma. La conception d'ASTARTE-LP et de son circuit d’excitation est discutée. ASTARTE-LP est un prototype faible puissance (milliwatt) d’une antenne basée sur le concept de guides à fentes et qui a été conçu pour être testé sur COMPASS. Enfin, la validation expérimentale d'ASTARTE-LP et de son circuit d’excitation avant les expériences sur COMPASS, ainsi que les expériences sur COMPASS, sont discutées
The thesis provides at first a brief introduction to magnetic nuclear fusion and tokamaks. It explains the need for auxiliary plasma heating and current-drive electromagnetic systems at the Ion Cyclotron and Lower Hybrid Range of Frequencies (ICRF and LHRF). The thesis then sets antenna specifications that allow satisfying proper plasma wave propagation and proper wave-particle resonance. The Radio Frequency (RF) network solver SIDON developed for this thesis is then presented. The thesis then discusses the different types of ICRF antennas and details the challenges of the impedance matching in ICRF arrays of straps. WEST ICRF launchers are discussed in great detail and simulations of impedance matching scenarios for these launchers using SIDON are reported. The thesis reports on the low-power (milliwatt range) testbed that has been developed for WEST ICRF launchers, as well as the low-power tests of the first one among them. Furthermore, high power (megawatt range) experiments on plasma with the JET ICRF ITER-Like Antenna are reported. The thesis then provides an overview about existing LHRF antennas and discusses the numerical modeling of the coupling of waveguide phased arrays to the plasma. The RF design of ASTARTE-LP and its feeding circuit is discussed. ASTARTE-LP is a low-power (milliwatt range) prototype LHRF antenna based on the Slotted Waveguide Antenna concept that has been designed and built to perform proof of principle experiments on the COMPASS tokamak. The experimental validation of ASTARTE-LP and its feeding circuit before the experiments on COMPASS, as well as the experiments performed on COMPASS plasmas are reported

Dans une 1ere partie, on construit des formulations variationnelles associées aux équations de Maxwell résonantes. Les équations dégénèrent dans le domaine, entraînant la non-unicité et la singularité des solutions. L’ajout de viscosité permet de les désingulariser, et par un procédé d’absorption limite, lorsque ce paramètre de viscosité tend vers zéro, on identifie la solution physique. Mais la dégénérescence sépare le problème à la limite en deux équations sur des domaines différents couplées par leur interface, le long de laquelle les solutions explosent. Ce travail caractérise la solution limite de manière explicite comme solution d’une formulation bien posée, ce qui permet d’approcher numériquement la solution physique des équations de Maxwell résonantes. L’étude est motivée par la modélisation de résonances hybrides dans un plasma de fusion. Une 2nde partie concerne les méthodes numériques de décomposition de domaine (DDM). En présence de coins et de points de croisement, lorsqu’on utilise un mailleur automatique par exemple, il est nécessaire de traiter ces points pour obtenir des conditions d’absorption (ABC) ou de transmission (TC) d’ordre supérieur à 1. Nous définissons des ABC d’ordre 2 pour l’équation de Helmholtz sur un domaine à coins, avec en vue des TC traitant les points de croisement. Chaque algorithme présenté est lié à une énergie décroissante et converge
In 1st part, variational formulations associated with resonant Maxwell equations are constructed. The equations degenerate in the domain, leading to the non-unicity and singularity of the solutions. Adding viscosity desingularizes the equations, and a limiting absorption process, when this viscosity parameter goes to zero, allows to identify the physical solution. The degeneracy separates the problem at the limit into two equations on different domains coupled by their interface, along which the solutions blow up. This work explicitly characterizes the limit solution as a solution of a well-posed formulation, which allows the numerical approximation of the physical solution to the resonant Maxwell equations. The study is motivated by the modeling of hybrid resonances in fusion plasma. A 2nd part concerns numerical domain decomposition methods (DDM). In the presence of corners and cross points, when using an automatic mesher for example, it is necessary to treat these points to obtain absorption (ABC) or transmission (TC) conditions of order higher than 1. We define ABCs of order 2 for the Helmholtz equation on a polygonal domain, with the further intention of deriving TCs treating cross points. Each algorithm presented is endowed with a decreasing energy and is convergent

Durant les 15 dernières années, le couplage fort lumière-matière avec des matériaux organiques a attiré un intérêt croissant, notamment à cause des valeurs extrêmes que peut atteindre l'écart énergétique entre les modes couplés dans ces systèmes. Ces modes couplés sont des hybrides lumière-matière, aussi appelés états polaritons et notés habituellement P+ et P-. La valeur de I' écart énergétique entre les modes couplés, également appelé énergie de Rabi-splitting, est provoqué par une transition efficace de dipôle moments entre des molécules et aussi par des cavités ou des plasmons en surface de petits volumes en mode de micro-Fabry-Pérot métalliques (FP) qui sont utilisés dans ces études. Rabi-splittings - 1eV représente souvent une fraction importante de l'énergie de transition électronique, dans ce cas, le système est appelé dans le régime de couplage ultra-forte. Dans ce régime, la physico-chimie des molécules ou des propriétés des matériaux du système couplé peuvent être modifié. En effet, d'effet a déjà été montré sur les voies de relaxation dans le système couplé, les taux de réactions photochimiques, le travail d'extraction et de la conductivité des semi-conducteurs organiques dans l'obscurité, entre autres choses. Une étude récente a pu montrer que l'énergie de l'état non-excité dans une étude thermodynamique peut également être décalée dans le régime de couplage ultra-fort. De plus, le couplage fort ne se limite pas à des transitions électroniques, mais peut aussi être utilisé pour perturber les vibrations de l'état non-excité de molécules dans la région infrarouge. Tous ces résultats montrent que le couplage fort en lumière-molécule a beaucoup de potentiel pour le matériel et la science moléculaire et mérite donc une étude plus approfondie
Over the past 15 years, light-matter strong coupling involving organic materials has been of increasing interest due to the very large energy splitting such systems exhibit between the two hybrid light-matter states, also known as the polaritonic states typically denoted P+ and P-. The large energy splitting, so-called Rabi splitting, is the result of the high transition dipole moments of the molecules and the small mode volumes of micro-metallic Fabry-Pérot (FP) cavities or surface plasmons used in these studies. Rabi-splittings -1 eV have been observed, often representing a significant fraction of the electronic transition energy in which case the system is said to be in the ultra-strong coupling regime. ln this regime the physical chemistry of molecules or the properties of materials of the coupied system should be modified. lndeed, it has already been shown to affect the relaxation pathways in the coupled system, the rates of photochemical reactions, thework-function and conductivity of organic-semiconductors in the dark, among other things. A recent thermodynamic study demonstrated that the ground state energy can also be shifted in theultra-strong coupling regime. Moreover, the strong coupling is not limited to electronic transitions, but also can be used to perturb the ground-state vibrations of molecules in the infrared region. Ali these results suggest that light-molecule strong coupling has much potential for material and molecular science and therefore merits further study

Les Plasmons de surface à l’interface d’un métal et d’un diélectrique sont des oscillations collectives des électrons libres. Pour une interface plane, les plasmons se manifestent comme des champs électromagnétiques évanescents, confinée à quelques centaines de nanomètres de la surface métallique et se propagent le long de l'interface. Ce mode plasmonique, appelé plasmon propagatif de surface (PSP), est un mode fondamental. D’autres modes fondamentaux, non-propagatifs, sont appelé plasmons localisés (LSP) et apparaissent dans les nano-particules métalliques. Dans ce travail, nous avons calculé analytiquement la polarisabilité de géométries métalliques complexes et les résultats obtenus permettent d’expliquer les conditions de résonance des différents modes plasmoniques.Parmi les divers modes plasmoniques, plusieurs modes fondamentaux ont été étudiés en détail et décrits par une formulation analytique. Tout d’abord, dans un réseau binaire de lignes métalliques, des plasmons propagatifs confinés par la dimension finie des lignes sont générés. Ce mode plasmonique est appelé plasmons propagatifs confinée (CPP). D’autre part, dans des réseaux périodiques de nano-particules métalliques, déposées sur un film métallique, des modes de Bragg (BM) sont excités par la diffraction des PSP. De plus, dans de telles structures, un couplage harmonique entre les LSP des nano-particules et le PSP du film métallique sous-jacent se traduit par l’apparition d’un mode hybride (HLP). Les caractéristiques de ce mode hybride pour un réseau de nano-cylindres métalliques sur un film métallique sont présentées en détails, en particulier son intérêt en bio-détection.L'effet du milieu diélectrique environnant sur les modes plasmoniques est utilisé dans les détecteurs basés sur la résonance des plasmons de surface (SPR). Ces systèmes mesurent le décalage de la résonance d’un mode plasmonique, qui est fonction de l’indice de réfraction du milieu diélectrique. L’un des buts de ce travail est d'optimiser les détecteurs SPR pour des expériences typiques sondes – cibles où les molécules sonde sont greffées à la surface du capteur. Nous avons montré que par une fonctionnalisation sélective de la surface métallique, une amélioration de la performance de détection peut être obtenue en terme de quantité de molécules cibles détectable. L'amélioration de champ proche joue aussi un rôle majeur dans les techniques de diffusion Raman exaltée de surface (SERS). La présence de certains des modes plasmoniques étudiés dans les substrats nano-structurés permet d’augmenter significativement l'intensité du signal SERS.Pour réaliser ce travail, des méthodes numériques adaptées à la géométrie particulière des structures étudiées ont été développés pour calculer les distributions des champs proches et lointains dans ces structures. Les caractéristiques de ces modes plasmoniques ont été mesurés expérimentalement et leurs performances en détection SPR ont été démontrées en utilisant une configuration basée sur une interrogation angulo-spectrale en configuration de Kretschmann. Des expériences de SERS ont également été réalisées en collaboration avec le CSPBAT à Paris 13. Les différentes structures ont été fabriquées par lithographie électronique à l’IEF à Paris 11. Les résultats expérimentaux concordent avec les résultats numériques et analytiques.Cette description détaillée des modes plasmoniques offre une compréhension plus complète du phénomène de résonance des plasmons de surface dans les nanostructures métalliques et permet d’optimiser les structures selon l’application souhaitée. Le modèle présenté dans ce travail est relativement général et peut être utilisé pour décrire les propriétés électromagnétiques de différentes géométries et configurations expérimentales. De la représentation complète des modes plasmoniques, différents aspects des interactions photons-plasmons peuvent ainsi être étudiés
The surface plasmons on metallic surfaces are excited by the collective oscillations of free electrons. They satisfy certain resonance conditions and their dispersion can be considered as modes of the system. The plasmons at uniform metal-dielectric interfaces manifest as evanescent electromagnetic (EM) fields confined to a few hundreds of nanometers from the metallic surface and propagate along the interface. This mode is called the Propagating surface plasmon (PSP) and is a fundamental plasmonic mode. The other fundamental modes, which are non-propagative, results from collective oscillations of free electrons on curved surfaces of metallic nano-particles. They are called localized surface plasmon (LSP) modes. We have shown that the polarizability of complex geometries with an underlying substrate can be calculated analytically and the results obtained closely approximate the resonance conditions for such geometries.In this work, various other plasmonic modes originating from the two fundamental modes were studied in details and described by their corresponding analytical formulation. In a binary metallic arrays on glass substrate, plasmonic modes are excited by diffraction orders, called the Wood-Rayleigh modes (WRM). In metallic strips the PSP is confined by the finite edges of the strips and propagate along the length of the strips, called the confined propagating plasmons (CPP).For arrays of metallic nano-particles on a metallic film, the Bragg modes (BM) are excited by diffraction of the PSP. In such structures the LSP of the nano-particles and the PSP of the film can undergo a harmonic coupling to give rise to the hybrid lattice plasmon (HLP). The characteristics of the HLP mode for an array of metallic nano-cylinders on a metallic film is presented in details.The effect of the surrounding medium on the plasmonic modes is used in surface plasmon resonance (SPR) detectors which probe the shift in resonance condition of the modes. Such shift is dependent on the intrinsic dispersion of the modes. The aim of this work is to optimize the SPR detectors for affinity biosensing where probe and analyte molecules are bound to the metallic surface. We have shown that by selective functionalization of the metallic biochip surface, an enhancement of the performance of such detection can be achieved in terms of the amount of analyte used. Also the near field enhancement plays a major role in surface enhanced Raman scattering (SERS). We have shown that the presence of certain modes in the system can enhance the recorded SERS intensity.Rigorous numerical methods, adapted to the particular geometry under study, were developed to compute the near and far field characteristics of different structures. The experimental excitation of the modes and their application in SPR detection was demonstrated using a setup based on a spectral scanning modality operating in the Kretschmann configuration. The various structures were fabricated on a biochip using e-beam lithography at IEF, University Paris Sud and the reflectivity dispersion from the biochip was recorded. Such experimental results were shown to be in close agreement with the theoretical results. SERS experiments were carried out in collaboration with CSPBAT at University Paris 13 and the results were seen to fit closely the theoretically predicted trends.Such detailed description of plasmonic modes can offer a complete understanding of the surface plasmon resonance phenomenon in metallic structures and be optimized as per required for various applications. The theories presented in this work can be used to effectively describe the EM properties of different geometries and experimental configurations. From a comprehensive representation of plasmonic modes, different aspects of the photon-plasmon interactions can thus be elucidated

Afin de générer des plasmas performants sur de longues durées, un tokamak nécessite des dispositifs de chauffage et de génération de courant additionnels. Des antennes haute-fréquences, délivrant des puissances de plusieurs mégawatts au plasma, sont actuellement utilisées dans de nombreux tokamaks. Pour optimiser les performances de chauffage et de génération de courant obtenues avec le système LH (fréquence de quelques gigahertz), une bonne maitrise du couplage de l'onde émise par l'antenne au plasma de bord est nécessaire. Or, des effets non-linéaires dépendant du niveau de puissance HF injectée dans le plasma perturbent fortement le couplage de l'onde LH pour certains paramètres de bord (densité et température en particulier). Les travaux présentés dans ce manuscrit portent sur l'étude du couplage linéaire et non-linéaire de l'onde LH au plasma de bord. Dans le cadre de l'installation d'une antenne dite « Passive Active Multijunction » en 2009 sur le tokamak Tore Supra visant à tester le système LH proposé pour ITER, la caractérisation du couplage obtenu avec cette antenne a été réalisée à partir d'expériences menées à basse puissance sur Tore Supra. Les résultats, analysés conjointement avec l'utilisation d'un code de couplage (ALOHA), ont ainsi validé les prédictions théoriques prévoyant de bonnes propriétés de couplage à des densités de plasma de bord faibles. Par ailleurs, l'effet pondéromoteur a été clairement identifié comme responsable de la forte détérioration du couplage de l'onde mesurée sous certaines conditions de plasma de bord
In order to achieve long pulse operation with a tokamak, additional heating and current drive systems are necessary. High frequency antennas, which deliver several megawatts of power to the plasma, are currently used in several tokamaks. Moreover, a good control of the coupling of the wave launched by the antenna to the edge plasma is required to optimize the efficiency of heating and current drive LH systems. However, non-linear effects which depend on the level of injected power in the plasma strongly damage the coupling of the LH wave at particular edge parameters (density and temperature profiles). Results presented in the manuscript deal with the study of the linear and non-linear coupling of the LH wave to the plasma. In the framework of the commissioning of the Passive Active Multijunction antenna in 2009 on the Tore Supra tokamak aiming at validating the LH system suggested for ITER, the characterisation of its coupling properties was realized from low power experiments. The experimental results, which are compared with the linear coupling code ALOHA, have valided the theoretical predictions of good coupling at edge plasma density around the cut-off density. Besides, the ponderomotive effect is clearly identified as responsible for the deterioration in the coupling of the wave, which is measured under particular edge plasma conditions. A theoretical model combining the coupling of the LH wave with the ponderomotive force is suggested to explain the experimental observations

Theorie lineaire de l'interaction onde-particules. On montre les possibilites de diagnostic d'un moment d'ordre deux : l'emission cyclotronique electronique. On se sert d'un interferometre de michelson qui permet de selectionner a volonte le domaine spectral utile. Le rayonnement cyclotron permet de caracteriser l'action d'une onde de pompage en etudiant la partie du spectre ou le plasma est optiquement mince, on a acces a l'emissivite cyclotronique qui est directement proportionnelle a la puissance absorbee par le plasma. Ceci a permis de lever un grand nombre d'ambiguites toutes liees a un effet jusqu'alors mal compris : la saturation de l'absorption de puissance par le plasma

Les resultats experimentaux obtenus sur le tokamak petula-b constituent une phenomenologie originale des instabilites mhd en regime non inductif. Ils mettent en evidence les differences qui existent entre les profils de densite de courant dans les deux regimes de fonctionnement. La generation de courant par l'onde hybride peut permettre de s'affranchir des instabilites en dents de scie, qui actuellement sur les machines de grandes dimensions, sont impliquees dans le processus de degradation du temps de confinement de l'energie en presence de chauffages additionnels. Le controle du profil de densite de courant par l'onde hybride peut donc avoir un role capital a jouer dans l'amelioration des performances des machines concues pour atteindre l'ignition

La theorie lineaire et quasi-lineaire de la propagation des ondes au voisinage de la frequence hybride inferieure et de leur interaction avec les particules du plasma est utilisee pour determiner les parametres et le dimensionnement des coupleurs d'ondes lentes dans les trois applications principales : chauffage des ions, chauffage des electrons et generation de courant. Le tenseur dielectrique "plasma froid" est utilise pour determiner l'admittance de surface plasma qui represente la charge de l'antenne et conditionne son efficacite

The excitation of waves, may be electromagnetic or electrostatic, in plasmas or dusty plasmas by electron or ion beams (relativistic or non-relativistic) has also attracted considerable attention. Beam-plasma interaction involves many physical aspects, including, for example, mechanisms of wave radiation, collective processes leading to instabilities, plasma and beam dynamics, as well as several applications, such as communications between two spacecraft or between spacecraft and the earth. An electron mode depends on the mass of the electrons, but the ions may be assumed to be infinitely massive, i.e., stationary while an ion mode depends on the ion mass, but the electrons are assumed to be massless and redistribute themselves instantaneously according to Boltzmann relation. Only rarely, for example, in the lower hybrid oscillation, will a mode depend on both the electron and the ion mass. The various wave modes can also be classified according to whether they propagate in an un-magnetized plasma or parallel, perpendicular, or oblique to the static magnetic field. Moreover, the presence of highly charged dust particles in a plasma can have significant influence on the collective properties of the plasma, and hence wave mode properties. The waves and instabilities can be excited either by the free sources of energy such as plasma currents produced by the electromagnetic and electrostatic fields present within the plasma or by an external beam source propagating inside it. Hence, we aim at the theoretical investigations of waves and instabilities in plasmas or dusty plasmas. We have studied, analytically, abnormal Doppler resonance with an electron beam in a magnetized plasma that causes a plane polarized Alfven wave to decay nonlinearly. There are two different wave propagation modes namely, the Alfven wave mode, with a frequency lesser than plasma ion frequency ωci and the electron cyclotron wave mode, with a frequency approaching electron cyclotron frequency ωce. The plane polarized Alfven waves and electron beam communicate through both normal and abnormal Doppler resonance. The frequency does not fluctuate and the wave stabilizes in anomalous resonance contact in contrast to the case of normal Doppler resonance. It is also described in this work, how the frequency and growth rate of plasma electrons vary with magnetic field and number density. Rajesh Gupta Delhi Technological University, Delhi, India The Shear Alfven waves are only affected by the beam's particles when they counter propagate one-another and destabilize left-hand polarized modes for parallel waves and left hand as well as right-hand polarized modes for oblique waves via an action called fast cyclotron interaction. Right-hand (RH) and left-hand (LH) polarized oblique Alfven modes are affected differentially by collisions between beam ions and plasma constituents in terms of the growth rate and frequency of produced Alfven waves. We have also observed that the polarized oblique Alfven modes exhibit a polarization reversal after resonance. The growth rates are correlated with the increase in propagation angle and because of the obliquity of the wave, the maximum growth rate rises in the presence or absence of the beam. The frequency and growth rate of the waves both are affected by the collision of beam ions with plasma constituents. As the beam velocity drops, the significance of collisions increases and they damp the Alfven waves more and more. We have also given a theoretical analysis on the generation of an obliquely propagating shear Alfven wave in dusty plasma by hydrogen ion beam. When the ion beam particles counter-propagate with a shear Alfven wave, they interact with through cyclotron interaction with the wave whereas through Cerenkov interaction with a co-propagating wave. It has been discussed about how the beam speed, magnetic field, wave number, dust particle density, and dust charge fluctuations affect the situation. As the beam velocity increases, both the wave frequency and maximum growth rate decrease, with the changes being different for parallel and perpendicular wave numbers. The findings and experimental observations are well congruent. A problem based on fluid theory of beam driven growth of lower hybrid wave (LHW) in a magnetized relativistic beam plasma system is also has been studied. The decay of large amplitude lower hybrid wave, the pump or mother wave into lower-hybrid sideband wave and beam mode drives the instability. A ponderomotive force is applied to plasma electrons by the excited sideband wave when it interacts with the pump wave. The dependence of parametric instabilities on the local plasma characteristics has been used to determine the rate of growth of the beam driven instability in various beam density regions. The results indicate that electron dynamics in the presence of a relativistic electron beam play a major role in the beam coupling those results in parametric instability of the LH wave. Rajesh Gupta Delhi Technological University, Delhi, India The present research work can be extended to study waves and instabilities in plasmas and findings of the present research work may be useful in investigating astrophysical situations, near earth environment, and fusion plasma devices, etc.