Dissertations / Theses on the topic 'Electron confinement'

Un nouveau mod`ele r´eduit pour le transport de faisceaux d’´electrons relativistes dans des solide ou des plasma denses est propos´e. Il est bas´e sur la r´esolution des deux premiers moments angulaires de l’´equation cin´etique relativiste, compl´et´es par une relation de fermeture d´eduite du principe de maximisation de l’entropie angulaire de Minerbo. Le mod`ele prend en compte aussi bien les effets collectifs du transport avec les champs ´electromagn´etiques auto g´en´er´es que les effets collisionnels li´es au ralentissement des ´electrons par collision sur les plasmons, les ´electrons li´es et les ´electrons libres du milieu ainsi que leur diffusion angulaire par collisions sur les ´electrons et les ions. Le mod`ele permet une r´esolution num´erique rapide des ´equations du transport de faisceau d’´electrons rapides tout en d´ecrivant l’´evolution cin´etique de leur fonction de distribution. Malgr´e le fait de travailler avec les grandeurs angulaires moyennes, le mod`ele a ´et´e valid´e par comparaison avec des solutions analytiques d´eriv´ees dans un cas acad´emique de transport de faisceau mono ´energ´etique et collimat´e dans un plasma dense et chaud d’Hydrog`ene ainsi qu’avec une simulation PIC hybride dans un cas r´ealiste de transport d’´electrons acc´el´er´es par laser dans une cible solide. Le mod`ele est appliqu´e `a l’´etude de l’´emission de photons Kα lors d’exp´eriences laser-plasma ainsi qu’a` la g´en´eration d’ondes de choc
A new hybrid reduced model for relativistic electron beam transport in solids and dense plasmas is presented. It is based on the two first angular moments of the relativistic kinetic equation completed with the Minerbo maximum angular entropy closure. It takes into account collective effects with the self-generated electromagnetic fields as well as collisional effects with the slowing down of the elec- trons in collisions with plasmons, bound and free electrons and their angular scattering on both ions and electrons. This model allows for fast computations of relativistic electron beam transport while describing the kinetic distribution function evolution. Despite the loss of information concerning the angular distribution of the electron beam, the model reproduces analytical estimates in the academic case of a collimated and monoenergetic electron beam propagating through a warm and dense Hydro- gen plasma and hybrid PIC simulation results in a realistic laser-generated electron beam transport in a solid target. The model is applied to the study of the emission of Kα photons in laser-solid experiments and to the generation of shock waves

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 2005.
Includes bibliographical references (p. 333-340).
The steady-state confinement of tokamak plasmas in a fusion reactor requires non-inductively driven toroidal currents. Radio frequency waves in the electron cyclotron (EC) range of frequencies can drive localized currents and are thus particularly attractive for control of the current profile. In the high-[beta] regimes of spherical tokamaks (ST) such as NSTX and MAST, heating and current drive (CD) by conventional electron cyclotron waves is not possible. However, electron Bernstein waves (EBW) have been proposed as an alternative for CD in these overdense devices. Given the important role predicted for CD by EBWs in high-[beta] STs, a detailed study of EBWCD must be undertaken. In this thesis a systematic analysis of EBWCD is provided. In particular, the characteristics of EBWs, the physics of resonant wave-particle interaction, and the CD mechanisms are investigated in detail. The CD efficiency and the current deposition profile are calculated using the numerical code DKE, which solve the drift-kinetic equation. Two scenarios for EBWCD are identified. The first scenario consists of approaching a harmonic of the EC resonance from a lower B-field region and drives current in the plasma core using the Fisch-Boozer mechanism.
(cont.) The other scenario consists of approaching a harmonic of the EC resonance from a higher B-field region and drives current off-axis on the outboard side using the Ohkawa mechanism. Both schemes drive current in the toroidal direction opposite to the parallel wave vector. The EBWCI) efficiency is found to be higher than ECCD efficiency because the EBW power is deposited in the tail of the electron distribution function. The results of this thesis confirm the important role of EBWs for driving currents in high-[beta] plasmas. The analytical and numerical tools developed as part of this thesis can be used to design, predict, and analyze future EBWCD experiments. Among these tools is the kinetic solver DKE, which can be used for electron current drive calculations in toroidal plasmas for different types of radio-frequency waves, such as lower hybrid and electron cyclotron waves.
by Joan Decker.
Ph.D.

Thesis (S.M.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 2013.
Cataloged from PDF version of thesis.
Includes bibliographical references (pages 141-151).
As field electron emitters shrink to nanoscale dimensions, the effects of quantum confinement of the electron supply and electric field enhancement at the emitter tip play a significant role in determining the emitted current density (ECD). Consequently, the Fowler-Nordheim (FN) equation, which primarily applies to field emission from the planar surface of a bulk metal may not be valid for nanoscale emitters. While much effort has focused on studying emitter tip electrostatics, not much attention has been paid to the consequences of a quantum-confined electron supply. This work builds an analytical framework from which ECD equations for quantum-confined emitters of various geometries and materials can be generated and the effects of quantum confinement of the electron supply on the ECD can be studied. ECD equations were derived for metal emitters from the elementary model and for silicon emitters via a more physically-complete version of the elementary model. In the absence of field enhancement at the emitter tip, decreasing an emitter's dimensions is found to decrease the total ECD. When the effects of field enhancement are incorporated, the ECD increases with decreasing transverse emitter dimensions until a critical dimension dpeak, below which the reduced electron supply becomes the limiting factor for emission and the ECD decreases. Based on the forms of the ECD equations, alternate analytical methods to Fowler-Nordheim plots are introduced for parameter extraction from experimental field emission data. Analysis shows that the FN equation and standard analysis procedures over-predict the ECD from quantum-confined emitters. As a result, the ECD equations and methods introduced in this thesis are intended to replace the Fowler-Nordheim equation and related analysis procedures when treating field emission from suitably small field electron emitters.
by Alex A. Patterson.
S.M.

Rational magnetic flux surfaces in fusion (toroidal plasma confinement) devices can break the magnetic field lines and reconnect them in the form of magnetic islands. Formation of these magnetic islands can have a serious impact on the plasma confinement properties of the device. Islands can in general degrade the confinement by mixing up different regions of the plasma. However there has been experimental evidence of confinement improvement by island induced transport barriers, under certain conditions. Even though there are a large number of theoretical and experimental works on magnetic islands to date, there is clearly a paucity of convincing experimental understanding on the nature of behaviour of islands in plasma. This thesis reports detailed experimental studies conducted on the H-1NF heliac stellarator, to gain an in-depth understanding of magnetic islands and their influence in plasma confinement.¶ Work reported in this thesis can be mainly divided into three parts: (a) high resolution imaging of vacuum magnetic islands and flux surfaces of H-1NF, (b) accurate computer modeling of H-1NF magnetic geometry and (c) detailed experiments on magnetic islands in plasma configurations.¶ Electron-beam wire-tomography in the H-1NF has been used for the high resolution mapping of vacuum magnetic flux surfaces and islands. Point-to-point comparison of the mapping results with computer tracing, in conjunction with an image warping technique, has enabled systematic exploration of magnetic islands and surfaces of interest. A fast mapping technique has been developed, which significantly reduced the mapping time and made this technique suitable for mapping at higher magnetic fields.¶ Flux surface mapping has been carried out at various magnetic configurations and field strengths. The extreme accuracy of this technique has been exploited to understand the nature of error fields, by point-by-point matching with computer tracing results. This has helped in developing a best-fit computer model for H-1NF magnetic configurations, which can predict rotational transform correct to three decimal places. Results from plasma experiments on magnetic configuration studies are best explained by the new model.¶ Experiments with low order magnetic islands in plasma configurations yielded some new results. It has been observed that the low order magnetic islands (m = 2) near the core of the plasma serve as pockets of improved confinement region under favourable conditions. This results in significant profile modifications including enhancement of the radial electric field near the core to a large positive value. The characteristics of islands are found to be dependent on the plasma collisionality and the island width.¶ Experiments with a magnetic configuration which exhibits no vacuum islands, but the core rotational transform very close to low order rational value, show a spontaneous transition of the radial electric field near the core to a large positive value (nearly 5 kV/m), with a strong electric field shear (nearly 700 kV/m2) and localised improvement in confinement, during the discharge. Evidence indicates that the transition is driven by the excitation of low order magnetic islands near the axis during the plasma discharge, due to the modification of rotational transform profile by toroidal plasma currents. The situation is similar to the Core Electron-Root Confinement (CERC) observed during high temperature ECH plasma discharges on other helical devices. This result provides an experimental evidence for the hypothesis that the threshold conditions for observing CERC can be reduced by exciting magnetic islands near the core of the plasma.

Ces dernières décennies, l'urgence croissante de la crise énergétique et la prise de conscience qu'une grande partie de l'énergie utilisée dans le monde est dissipée sous forme de chaleur ont provoqué un engouement pour le développement de modules thermoélectriques performants. Ces dispositifs pourraient récupérer la chaleur provenant de procédés industriels ou d'autres sources, transformant un gradient de température en voltage grâce à l'effet Seebeck. Les matériaux thermoélectriques performants doivent posséder une faible conductivité thermique, une haute conductivité électrique et un grand coefficient Seebeck. L'optimisation simultanée de ces paramètres est un défi majeur pour la physique de la matière condensée et la science des matériaux. Dans l'optique d'améliorer les propriétés thermoélectriques de plusieurs matériaux prometteurs, nous explorons plusieurs stratégies dans lesquelles les défauts (substitutions atomiques, lacunes…), le désordre et le confinement dimensionnel jouent un rôle central. Nous réalisons des calculs en théorie de la fonctionnelle densité et des projections sur des orbitales de Wannier afin de construire des Hamiltoniens et des matrices dynamiques réalistes décrivant leur structure électronique et vibrationnelle dans l'espace réel. Ces paramètres sont ensuite utilisés pour calculer les propriétés de transport thermoélectrique en utilisant le formalisme de Kubo, l'équation de Boltzmann, le formalisme de Landauer et la méthode Chebyshev polynomial Green's function, qui permet un traitement exact du désordre. Nous étudions les propriétés de transport électronique et les performances thermoélectriques de deux matériaux prometteurs pour la production d'énergie à hautes températures, le titanate de strontium et l'oxyde de titane rutile. Nous obtenons un très bon accord entre nos prédictions et un grand nombre de données expérimentales. Nous montrons que l'augmentation du coefficient Seebeck observée dans les superlayers de titanate de strontium, jusque-là attribuée à des effets de confinement quantique, est en réalité très bien expliquée par l'hypothèse d'électrons délocalisés. Nous explorons les effets généraux des états résonant sur le transport électronique dans le cadre d'une étude modèle, et nous trouvons une augmentation d'un facteur six des performances thermoélectriques. Nous examinons ensuite le cas particulier du titanate de strontium, et nous montrons que les performances sont détruites par des effets de localisation si des atomes de Vanadium sont introduits comme impuretés résonantes. Nous étudions l'influence des défauts dans les matériaux bidimensionnels. Contrairement aux adatomes, nous montrons que les substitutions dans les dichalcogénures de métaux de transition ont pour effet de localiser les porteurs de charge. Nous étudions l'effet des lacunes sur le transport de phonons dans le graphène, et nous déterminons les taux de diffusion phonon-lacune. Nous obtenons un très bon accord entre notre théorie et des mesures de conductivité thermique dans des échantillons de graphène irradiés et de tailles finies
Over the past decades, the increasingly pressing need for clean energy sources and the realization that a huge proportion of the world energy consumption is wasted in heat have prompted great interest in developing efficient thermoelectric generation modules. These devices could harvest waste heat from industrial processes or other sources, turning a temperature gradient into a voltage through the Seebeck effect. Efficient thermoelectric materials should exhibit a low thermal conductivity, a high electrical conductivity and a high Seebeck coefficient. Simultaneously optimizing these parameters is a great challenge of condensed matter physics and materials science. With a view to enhance the thermoelectric properties of several promising materials, we explore several strategies in which defects (atomic substitutions, vacancies…), disorder and dimensional confinement play a crucial role. We perform density functional theory calculations and projections on Wannier orbitals to construct realistic Hamiltonians and dynamical matrices describing their electronic and vibrational structure in real space. These parameters are then used to compute the thermoelectric transport properties using the Kubo formalism, the Boltzmann transport equation, the Landauer formalism, and the Chebyshev polynomial Green's function method that allows for an exact treatment of disorder. We investigate the electronic transport properties and thermoelectric performances of two promising materials for high-temperature power generation, strontium titanate and rutile titanium dioxide. Comparison of our predictions with a wealth of experimental data yields a very good agreement. We show that the increase of the Seebeck coefficient observed in strontium titanate superlayers, until now attributed to quantum confinement effects, is in fact well explained assuming delocalized electrons. The general effects of resonant states on electronic transport are explored in a model study, showing a sixfold increase of the thermoelectric performances. The particular case of strontium titanate is then examined, and localization effects are shown to destroy the performances if Vanadium atoms are introduced as resonant impurities. The influence of defects in two-dimensional materials is investigated. Contrary to adatoms, substitutions in transition metal dichalcogenides are shown to localize the charge carriers. We study the effect of vacancies on phonon transport in graphene, and determine the phonon-vacancy scattering rate. Comparison with thermal conductivity data for irradiated and finite-size graphene samples yields a very good agreement between theory and experiments

The generation and propagation of pulses of nonequilibrium acoustic phonons and their interaction with semiconductor nanostructures are investigated. Such studies can give unique information about the properties of low-dimensional electron systems, but in order to interpret the experiments and to understand the underlying physics, a comparison with theoretical models is absolutely necessary. A central point of this work is therefore a universal theoretical approach allowing the simulation and the analysis of phonon spectroscopy measurements on low-dimensional semiconductor structures. The model takes into account the characteristic properties of the considered systems. These properties are the elastic anisotropy of the substrate material leading to focusing effects and highly anisotropic phonon propagation, the anisotropic nature of the different electron-phonon coupling mechanisms, which depend manifestly on phonon wavevector direction and polarization vector, and the sensitivity to the confinement parameters of the low-dimensional electron systems. We show that screening of the electron-phonon interaction can have a much stronger influence on the results of angle-resolved phonon spectroscopy than expected from transport measurements. Since we compare theoretical simulations with real experiments, the geometrical arrangement and the spatial extension of phonon source and detector are also included in the approach enabling a quantitative analysis of the data this way. To illustrate the influence of acoustic anisotropy and carrier confinement on the results of phonon spectroscopy in detail we analyse two different applications. In the first case the low-dimensional electron system acts as the phonon detector and the phonon induced drag current is measured. Our theoretical model enables us to calculate the electric current induced in low-dimensional electron systems by pulses of (ballistic) nonequilibrium phonons. The theoretical drag patterns reproduce the main features of the experimental images very well. The sensitivity of the results to variations of the confining potential of quasi-2D and quasi-1D electrons is demonstrated. This provides the opportunity to use phonon-drag imaging as unique experimental tool for determining the confinement lengths of low-dimensional electron systems. By comparing the experimental and theoretical images it is also possible to estimate the relative strength of the different electron-phonon coupling mechanisms.In the second application the low-dimensional electron system acts as the phonon pulse source and the angle and mode dependence of the acoustic phonon emission by hot 2D electrons is investigated. The results exhibit strong variations in the phonon signal as a function of the detector position and depend markedly on the coupling mechanism, the phonon polarization and the electron confinement width. We demonstrate that the ratio of the strengths of the emitted longitudinal (LA) and transverse (TA) acoustic phonon modes is predicted correctly only by a theoretical model that properly includes the effects of acoustic anisotropy on the electron-phonon matrix elements, the screening, and the form of the confining potential. A simple adoption of widely used theoretical assumptions, like the isotropic approximation for the phonons in the electron-phonon matrix elements or the use of simple variational envelope wavefunctions for the carrier confinement, can corrupt or even falsify theoretical predictions.We explain the `mystery of the missing longitudinal mode' in heat-pulse experiments with hot 2D electrons in GaAs/AlGaAs heterojunctions. We demonstrate that screening prevents a strong peak in the phonon emission of deformation potential coupled LA phonons in a direction nearly normal to the 2D electron system and that deformation potential coupled TA phonons give a significant contribution to the phonon signal in certain emission directions.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Ausbreitung von akustischen Nichtgleichgewichtsphononen und deren Wechselwirkung mit Halbleiter-Nanostrukturen. Güte und Effizienz moderner Halbleiter-Bauelemente hängen wesentlich vom Verständnis der Wechselwirkung akustischer Phononen mit niederdimensionalen Elektronensystemen ab. Traditionelle Untersuchungsmethoden, wie die Messung der elektrischen Leitfähigkeit oder der Thermospannung, erlauben nur eingeschränkte Aussagen. Sie mitteln über die beteiligten Phononenmoden und eine Trennung der einzelnen Wechselwirkungsmechanismen ist nur näherungsweise möglich ist. Demgegenüber erlaubt die in der Arbeit diskutierte Methode der winkel- und zeitaufgelösten Phononen-Spektroskopie ein direktes Studium des Beitrags einzelner Phononenmoden, d.h. in Abhängigkeit von Wellenzahlvektor und Polarisation der Phononen. Im Mittelpunkt der Arbeit steht die Fragestellung, wie akustische Anisotropie und Ladungsträger-Confinement die Ergebnisse der winkel- und zeitaufgelösten Phononen-Spektroskopie beeinflussen und prägen. Dazu wird ein umfassendes theoretisches Modell zur Simulation von Phononen-Spektroskopie-Experimenten an niederdimensionalen Halbleitersystemen vorgestellt. Dieses erlaubt sowohl ein qualitatives Verständnis der ablaufenden physikalischen Prozesse als auch eine quantitative Analyse der Messergebnisse. Die Vorteile gegenüber anderen Modellen und Rechnungen liegen dabei in dem konsequenten Einbeziehen der akustischen Anisotropie, nicht nur für die Ausbreitung der Phononen, sondern auch für die Matrixelemente der Wechselwirkung, sowie eine saubere Behandlung des Confinements der Elektronen in den niederdimensionalen Systemen. Dabei werden die Grenzen weit verbreiteter Näherungsansätze für die Elektron-Phonon-Matrixelemente und das Elektronen-Confinement deutlich aufgezeigt. Für den quantitativen Vergleich mit realen Experimenten werden aber auch solche Größen, wie die endliche räumliche Ausdehnung von Phononenquelle und Detektor, die Streuung der Phononen an Verunreinigungen oder die Abschirmung der Elektron-Phonon-Kopplung durch die Elektron-Elektron-Wechselwirkung berücksichtigt.Im zweiten Teil der Arbeit wird der theoretische Apparat auf typische experimentelle Fragestellungen angewandt. Im Falle der Phonon-Drag-Experimente an GaAs/AlGaAs Heterostrukturen wird der durch akustische Nichtgleichgewichtsphononen in zwei- und eindimensionalen Elektronensystemen induzierte elektrische Strom (Phonon-Drag-Strom) als Funktion des Ortes der Phononenquelle bestimmt. Das in der Arbeit hergeleitete theoretische Modell kann die experimentellen Resultate für die Winkelabhängigkeit des Drag-Stromes sowohl für Messungen mit und ohne Magnetfeld qualitativ gut beschreiben. Außerdem wird der Einfluss unterschiedlicher Confinementmodelle und unterschiedlicher Wechselwirkungsmechanismen studiert. Dadurch ist es möglich, aus Phonon-Drag-Messungen Rückschlüsse auf die elektronischen und strukturellen Eigenschaften der niederdimensionalen Elektronensysteme zu ziehen (Fermivektor, effektive Masse, Elektron-Phonon-Kopplungskonstanten, Form des Confinementpotentials). Als weiteres Anwendungsbeispiel wird das Problem der Energierelaxation (aufgeheizter)zweidimensionaler Elektronensysteme in GaAs Heterostrukturen und Quantentrögen untersucht. Für Elektronentemperaturen unterhalb 50 K werden die Gesamtemissionsrate als Funktion der Temperatur und die winkelaufgelöste Emissionsrate (als Funktion der Detektorposition) berechnet. Für beide Größen wird erstmals eine gute Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment gefunden. Es zeigt sich, dass akustische Anisotropie und Abschirmungseffekte zu überraschenden neuen Ergebnissen führen können. Ein Beispiel dafür ist der unerwartet große Beitrag der mittels Deformationspotential-Wechselwirkung emittierten transversalen akustischen Phononen, der bei einer Emission der Phononen näherungsweise senkrecht zum zweidimensionalen System beobachtet werden kann.

Dans le cadre de la fusion par confinement inertiel, une capsule contenant le combustible de deutérium-tritium est implosée soit par irradiation laser (attaque directe, interaction laser – cible de numéro atomique faible), soit par un rayonnement de corps noir émis par une cavité convertissant le rayonnement laser (attaque indirecte, interaction laser – cible de numéro atomique élevé).Dans les deux cas, une modélisation correcte du transport électronique est cruciale pour avoir des simulations hydro-radiatives prédictives. Cependant, il a été montré très tôt que les hypothèses d'un mécanisme de transport linéaire ne sont pas applicables dans le cadre de l'irradiation d'une cible solide par un laser de puissance (I~10^14 W/cm²). Cela est dû d'une part à des gradients de température très importants (effets cinétiques dits « non-locaux ») ainsi qu'à la présence d'un champ magnétique auto-généré par effet thermo-électrique. Enfin, le flux de chaleur et le champ magnétique sont fortement couplés au travers de deux mécanismes : le transport du champ magnétique par le flux de chaleur (effet Nernst) et la rotation et inhibition du flux de chaleur par la magnétisation du plasma (effet Righi-Leduc).Dans le présent manuscrit, nous commencerons par exposer les différents modèles de transport électronique, et en particulier le modèle non-local avec champ magnétique, implémenté dans le code hydro-radiatif FCI2. Par la suite, nous chercherons à valider ce modèle par des comparaisons avec un code cinétique, puis avec une expérience lors de laquelle le champ magnétique a été mesuré par radiographie proton. Cela fait, nous utiliserons le code FCI2 pour expliquer la source et le transport du champ, ainsi que son effet sur l'interaction.Enfin, nous étudierons la reconnexion du champ magnétique, lors de l'irradiation d'une cible par deux faisceaux lasers
In the framework of the inertial confinement fusion, a pellet filled with the deuterium-tritium fuel is imploded, either through laser irradiation (direct drive, laser – low atomic number target interaction) or by the black body radiation from a cavity converting the laser radiation (indirect drive, laser – high atomic number target interaction).In both cases, a correct modeling of the electron transport is of first importance in order to have predictive hydro-radiative simulations. Nonetheless, it has been shown early on that the hypothesis of the linear transport are not valid in the framework of a solid target irradiated by a high power laser (I~1014 W/cm²). This is due in part to very steep temperature gradients (kinetic effects, so-called « non-local ») and because of a magnetic field self-generated through the thermo-electric effect. Finally, the heat flux and the magnetic field are strongly coupled through two mecanisms: the advection of the field with the heat flux (Nernst effect) and the rotation and inhibition of the heat flux by the plasma's magnetization (Righi-Leduc effect).In this manuscript, we will first present the various electron transport models, particularly the non-local with magnetic field model included in the hydro-radiative code FCI2. Following, in order to validate this model, we will compare it first against a kinetic code, and then with an experiment during which the magnetic field has been probed through proton radiography. Once the model validated, we will use FCI2 simulations to explain the source and transport of the field, as well as its effect on the interaction.Finally, the reconnection of the magnetic field, during the irradiation of a solid target by two laser beams, will be studied

La thèse étudie la dynamique des Electrons Découplés (DE) dans une disruption plasma déclenchée par injection massive de gaz dans le tokamak JET et simulée par le code JOREK. Cette investigation est permise par l’implémentation d’un module de suivi des particules tests relativistes dans JOREK. L’étude montre que les électrons peuvent ‘survivre’dans le chaos magnétique caractérisant la phase dite de ‘Disjonction Thermique’ (DT) de cette disruption (simulée) grâce à la reformation des surfaces magnétiques fermées. Deuxièmement, l’accélération des électrons causée par les champs électriques dus aux fluctuations magnétohydrodynamiques (MHD) pendant la DT est analysée. Cela montre que les électrons peuvent être accélérés par ces champs et devenir DE, après reconfinement, pendant la phase dite de ‘Disjonction de Courant’. Une étude préliminaire sur les dépendances entre le courant des DE et l’activité MHD dans les expériences de disruption du tokamak ASDEX Upgrade est également reportée
In view of better understanding Runaway Electron (RE) generation processes during tokamak disruptions, this work investigates test electron dynamics during a JET disruption simulated with the JOREK code. For this purpose, a JOREK module computing relativistic test particle orbits in the simulated fields has been developed and tested. The study shows that a significant fraction of pre-disruption thermal electrons remain confined in spite of the magnetic chaos characterizing the Thermal Quench (TQ) phase. This finding, which is related to the prompt reformation of closed flux surfaces after the TQ, supports the possibility of the so-called “hot tail” RE generation mechanism. In addition, it is found that electrons may be significantly accelerated during the TQ due to the presence of strong local electric field (E) fluctuations related to magnetohydrodynamic (MHD) activity. This phenomenon, which has virtually been ignored so far, may play an important role in RE generation. In connection to this modelling work, an experimental study on ASDEX Upgrade disruptions has been performed, suggesting that strong MHD activity reduces RE production

Les decharges a confinement magnetique multipolaire excitees par des filaments emissifs sont largement utilisees pour des etudes fondamentales dans les plasmas. Le but de cette these est de comprendre leur fonctionnement et notamment comment l'energie est distribuee entre les electrons en l'absence de collisions. Apres la description d'un modele simple de bilan entre creation et pertes dans le plasma et le rappel de quelques instabilites, nous presentons une analyse detaillee de l'interaction filament-plasma et une etude de la correlation turbulence-temperature. L'equilibre thermique du filament est fortement couple a l'emission des electrons: il existe un profil de temperature le long du filament et l'emission d'electrons du filament vers le plasma presente deux etats stables. La transition du courant de decharge entre ces deux etats presente parfois un saut et un hysteresis lorsqu'on varie continument un parametre de controle de la decharge. Nous attribuons ce saut a un ecrasement de la gaine emissive. En l'absence de champ magnetique, la largeur de l'hysteresis est principalement regie par les profils de temperature et de potentiel le long du filament. Le champ magnetique local a la gaine introduit une brisure de symetrie supplementaire dans la dynamique des porteurs de charge. En l'absence de champ magnetique multipolaire nous avons trouve une correlation turbulence-temperature. Avec le champ magnetique multipolaire, pour des pressions superieures a 10##4 mb, nous observons la pression electronique est constante. En dessous de cette pression, le comportement du plasma est plus complexe. L'ensemble de ces resultats experimentaux ouvre des perspectives pour l'etude theorique et la modelisation numerique de ces decharges

Cette thèse se place dans le contexte de la fusion thermonucléaire pour la production d’énergie, dans le cadre de l’allumage rapide par faisceaux d’électrons chauds. Le travail présenté a pour but de caractériser la source de faisceaux d’électrons rapides, accélérés par lasers intenses (1019≠1020 W/cm2), et leur propagation dans des plasmas denses aussi bien à l’état solide quecomprimé.La première étude présentée avait pour but d’étudier la propagation d’électrons rapides, caractérisés par une densité de courant > 1011 A/cm2, dans des cibles d’aluminium chauffées à la température de Fermi par un choc plan contra-propagatif, qui les comprimait à deux fois la densité du solide. La géométrie de compression plane nous a permis de dissocier les pertesd’énergie dues aux effets résistifs et collisionnels, en comparant des cibles solides et comprimées de masses surfaciques identiques. Nous avons observé pour la première fois une augmentation des pertes d’énergie d’origine résistive dans les échantillons chauffés. La confrontation des données expérimentales avec les simulations, incluant une caractérisation complète de la source électronique, de l’état de compression des cibles et du transport d’électrons, a permis d’étudier l’évolution temporelle de la résistivité du matériau. Elle a notamment permis d’estimer que le pouvoir d’arrêt résistif dans les cibles tièdes et denses est d’amplitude comparable au pouvoir d’arrêt collisionnel.Dans la deuxième étude, nous avons analysé l’accélération et le transport d’électrons rapides produits lors de l’interaction d’un laser à haut contraste avec un cône de cuivre, enchâssé dans un bloc de carbone, et comprimé par un choc plan contra-propagatif. Un système d’imagerie X a permis de visualiser le couplage entre le faisceau laser intense et le cône à différents instants de la compression. Ce diagnostic, donnant accès à la distribution spatiale du faisceau d’électrons chauds, a montré une génération d’électrons dans tout le volume du cône pour des temps supérieurs au temps de débouché de choc au niveau de la pointe. Pour des temps antérieurs, l’interaction se produit à haut contraste, la source est restreinte au niveau de la pointe du cône, et la propagation collimatée des électrons vers l’intérieur de la cible est assurée par les champs magnétiques auto-générés. Ces conclusions ont été obtenues en confrontant les données expérimentales aux simulations.Une caractérisation hydrodynamique de la compression par choc de la cible a été effectuée à l’aide d’une technique de radiographie X, permettant de visualiser la propagation du front de choc dans la cible, sa collision avec la pointe du cône et son glissement le long des parois. Les mesures sont en accord avec des simulations hydrodynamiques
The framework of this PhD thesis is the inertial confinement fusion for energy production, in the context of the electron fast ignition scheme. The work consists in a characterization of the transport mechanisms of fast electrons, driven by intense laser pulses (1019 ≠ 1020 W/cm2) inboth cold-solid and warm-dense matter.The first goal was to study the propagation of a fast electron beam, characterized by a current density > 1011 A/cm2, in aluminum targets initially heated close to the Fermi temperature by a counter-propagative planar shock. The planar compression geometry allowed us to discriminate the energy losses due to the resistive mechanisms from collisional ones by comparing solid and compressed targets of the same initial areal densities. We observed for the first time a significant increase of resistive energy losses in heated aluminum samples. The confrontation of the experimental data with the simulations, including a complete characterization of the electron source, of the target compression and of the fast electron transport, allowed us to study the time-evolution of the material resistivity. The estimated resistive electron stopping power in a warm-compressed target is of the same order as the collisional one.We studied the transport of the fast electrons generated in the interaction of a high-contrast laser pulse with a hollow copper cone, buried into a carbon layer, compressed by a counterpropagative planar shock. A X-ray imaging system allowed us to visualize the coupling of thelaser pulse with the cone at different moments of the compression. This diagnostic, giving access to the fast electron spatial distribution, showed a fast electron generation in the entire volume of the cone for late times of compression, after shock breakout from the inner cone tip. For earlier times, the interaction at a high-contrast ensured that the source was contained within the cone tip, and the fast electron beam was collimated into the target depth by self-generated magnetic fields. These conclusions were obtained by a confrontation of experimental data to simulation results.The hydrodynamic characterization of the shock-induced target compression was performed using a X-ray point projection radiography technique, allowing to visualize a propagation of the shock front into the target, its collision with the cone tip and its subsequent sliding along the cone walls. The measurements are in agreement with hydrodynamic simulations

Dans le contexte du renouvellement des sources d’énergie, l’énergie nucléaire reste une des solutions de référence. Avec le développement du nucléaire, les questions liées au stockage des déchets nucléaires doivent être résolues. De ce point de vue, la radiolyse de l’eau confinée joue un rôle primordial dans le stockage/entreposage des déchets nucléaires. Les études de la radiolyse de l’eau confinée dans des matériaux poreux modèle doivent permettre de développer la modélisation de la radiolyse dans les matériaux réels. Un premier pas dans cette direction à été fait par l’étude de la radiolyse de l’eau dans des verres de silice nanoporeux; en abordant un système métallique (or nanoporeux), cette étude permet d'appréhender la radiolyse sous contrainte des systèmes métal – eau. Une connaissance approfondie des processus radiolytiques exige aussi la compréhension de l’effet du confinement sur la dynamique des molécules confinées et sur l’évolution des espèces produites sous rayonnement ionisant. Dans une première partie, le vibrateur OH a été utilisé comme sonde des propriétés du réseau de liaisons d’hydrogène, et la spectroscopie IR résolue en temps a été appliquée à l’étude de la dynamique de l’eau confinée. L’évolution cinétique de l’électron hydraté dans les milieux mésoporeux a été étudiée par la technique pompe (UV)-sonde (visible et proche infrarouge) de la picoseconde à la milliseconde
In the context of new sustainable energy sources quest, the nuclear energy remains a key solution. However, with the development of nuclear technology, problems relating to nuclear waste disposal arise; thus, the radiolysis of water in confined media is extremely important with respect to matters related to long time storage of nuclear waste. Studies in model porous media would allow the projection of a confined water radiolysis simulator. A first step in this direction was made by studying the radiolysis of water confined in Vycor and CPG glasses; this study continues the trend set and investigates the effects of confinement in metal materials upon the water radiolysis allowing the understanding of metal – water radiation induced corrosion. A further/complete understanding of the radiolytic process under confinement requires knowledge of the effect of confinement upon the dynamics of confined molecules and on the evolution of the species produced upon ionizing radiation. In this respect, we have used the OH vibrator as a probe of the hydrogen bond network properties and thus investigated the dynamics of confined water using IR time resolved spectroscopy. The evolution of the hydrated electron under confinement was studied on a nano and picosecond time scale using UV pump – visible probe technique and single shot spectroscopy

Les sources d'ions à "Résonance cyclotronique d'électrons"(RCE)constituent, à l'heure actuelle, le meilleur choix parmi les sources existantes en ce qui concerne la production des faisceaux continus d'ions positifs hautement chargés. Ces sources produisent des rapports charge-sur-masse très élevés (jusqu'à 0,35 pour l'uranium) et des intensités par charge du [microampère] au mA, ce qui fait leur succès auprès des accélérateurs d'ions lourds à haute énergie. Depuis la naissance du concept dans les années 1970, leurs performances ont régulièrement progressé (amélioration du confinement du plasma, utilisation d'ondes électromagnétiques à fréquence élevée, amélioration de la qualité du vide, addition d'électrons "froids", disque polarisé, effet Malter et utilisation d'un gaz plus léger). Récemment, il a été suggéré que les performances des sources RCE pouvaient être notablement améliorées en augmentant le volume de résonance soit en étendant la zone d'induction résonante soit en élargissant la bande HF de l'onde. Une source RCE à aimants permanents fonctionnant à la fréquence 6 GHz, avec la possibilité de créer un large volume de plasma résonant, a été dessinée, construite et testée au Laboratoire National d'Oak Ridge (ORNL), en avant-première. Le champ magnétique est flexible, de sorte qu'il peut être configuré en champ plat("volume") ou en champ conventionnel à B minimum ("surface") afin de pouvoir comparer directement les performances des deux types de sources dans des conditions expérimentales équivalentes. Les résultats expérimentaux préliminaires montrent que la source à champ plat surpasse celle en champ conventionnel, en terme de distribution de charge et d'intensité
ECR ion sources are clearly the best choice of existing sources for the generation of CW beams of highly charged ions, and therefore, they are at a premium for high-energy accelerator-based applications. The technology of the source has slowly but steadily advanced over the past several years (improvement in plasma confinement; use of very high frequency microwave radiation; improvement in vacuum quality; supplementing their plasma discharges with cold electrons; biased disks; and gas mixing effect). Recently, it has been suggested that their performances can be significantly further enhanced by incresing the physical sizes of their ECR zones in relation to the sizes of their plasma volumes (spatial and frequency domain methods). A 6 GHz, all-permanent magnet ECR ion source with à large resonant plasma volume has been designed, constructed and initially tested at the Oak Ridge National Laboratory. The conventional minimum-B("surface") resonance conditions so that direct comparaisons of the performances of the two source types can be made under identical operating conditions. According to initial test results, the flat-B source performs better than its conventionnal-B conterpart, in terms of charge-state distribution and intensity within a particular charge-state. This is attributable to the very large ECR zones present in the source and their locations with respect to the launch direction of the RF power

The ratio of heating power going to electrons and ions will undergo a transition from mixed electron and ion heating as it is in current fusion experiments to dominant electron heating in future experiments and reactors. In order to make valid projections towards future devices the connected changes in plasma response and performance are important to be study and understand: Do electron heated plasmas behave systematically different or is the change of heated species fully compensated by heat exchange from electrons to ions? How does particle transport influence the density profile? Is the energy confinement and the H-mode pedestal reduced with reduced torque input? Does the turbulent transport regime change fundamentally? The unique capabilities of the ECRH system at ASDEX Upgrade enable this change of heated species by replacing NBI with ECRH power and thereby offer the possibility to discuss these and other questions. For low heating powers corresponding to high collisionalities the transition from mixed electron and ion heating to pure electron heating showed next to no degradation of the global plasma parameters and no change of the edge values of kinetic profiles. The electron density shows an increased central peaking with increased ECRH power. The central electron temperature stays constant while the ion temperature decreases slightly. The toroidal rotation decreases with reduced NBI fraction, but does not influence the profile stability. The power balance analysis shows a large energy transfer from electrons to ions, so that the electron heat flux approaches zero at the edge whereas the ion heat flux is independent of heating mix. The ion heat diffusivity exceeds the electron one. For high power, low collisionality discharges global plasma parameters show a slight degradation with increasing electron heating. The density profile shows a strong peaking which remains unchanged when modifying the heating mix. The electron temperature profile is unchanged whereas the central ion temperature decreases significantly with increasing ECRH fraction. The relative contribution of the heat exchange is smaller so that the electrons still carry a substantial fraction of heat at the edge. The ion heat flux is still independent of the heating mix and the ion heat diffusivity exceeds the electron one. The radial electrical field does not show any variation with changing heating mix. The analysis of the whole database of discharges shows a degradation of the ion temperature gradient with increasing Te/Ti and a steepening with increasing gradient of the toroidal rotation. These findings complement previous studies. The electron density, and the electron and ion temperatures were modelled with a first principle code. The applied sawtooth model could reproduce the experimental observations. The profile shapes, the changing Te/Ti and the peaking of the density and temperature profiles agree very well with the experimental data. Linear gyrokinetic calculations found the ion temperature gradient mode to be the dominant candidate for heat transport. The investigations can explain the observed phenomena in the experiment, like the different degree of increase of ion heat flux or density peaking for various collisionalities. The results presented in this work show a consistent picture of the observed phenomena and the understanding of the main underlying physics. They allow a correct implementation in the applied computer codes and a reliable prediction of the performance of future fusion devices.

Heating of the transmission foil separating the vacuum diodes from the laser cell in electron-beam-pumped gas lasers due to electron beam attenuation necessitates an active cooling scheme to prevent its failure under repetitively pulsed operating conditions. Attenuation of the electron beam (typically 500kV, 100kA and 100ns) produces a strong and pulsed volumetric heat source in the relatively thin (~25μm thick) stainless-steel foil causing it to fail. An experimental and numerical investigation has been conducted to study the cooling effectiveness of high-speed near-wall jets for a single stainless-steel foil strip simulating the geometry between two hibachi ribs in the Electra KrF gas laser developed by the Naval Research Laboratory. The foil is placed inside a channel with continuous gas flow simulating the circulating laser gas. Detailed studies include two jet types (planar and circular) and two injection methods (parallel and impinging) for two designs of hibachi (flat and scalloped). The planar jet flows parallel to the circulating laser gas along the entire foil span. The other configuration uses small diameter (0.8, 1.2 and 1.6 mm) circular jets positioned in two staggered rows located on the foil's two edges along the height of the foil (~30 cm). The jets are issued obliquely towards the foil. For both jet configurations, experiments are conducted at different jet velocities, impingement angles and jet-foil spacing to identify the optimal parameters to be used in the actual hibachi foil cooling. Experimental results are also compared to the predictions from CFD simulations using FLUENT®. The results of this research show that near-wall impinging circular jets can effectively cool the foil separating the vacuum diodes from the laser cell in an electron beam pumped KrF laser under prototypical pulsed (5Hz) operating conditions, thereby assuring the foil's survival, while minimizing the impact on electron beam quality and laser efficiency.

The generation and propagation of pulses of nonequilibrium acoustic phonons and their interaction with semiconductor nanostructures are investigated. Such studies can give unique information about the properties of low-dimensional electron systems, but in order to interpret the experiments and to understand the underlying physics, a comparison with theoretical models is absolutely necessary. A central point of this work is therefore a universal theoretical approach allowing the simulation and the analysis of phonon spectroscopy measurements on low-dimensional semiconductor structures. The model takes into account the characteristic properties of the considered systems. These properties are the elastic anisotropy of the substrate material leading to focusing effects and highly anisotropic phonon propagation, the anisotropic nature of the different electron-phonon coupling mechanisms, which depend manifestly on phonon wavevector direction and polarization vector, and the sensitivity to the confinement parameters of the low-dimensional electron systems. We show that screening of the electron-phonon interaction can have a much stronger influence on the results of angle-resolved phonon spectroscopy than expected from transport measurements. Since we compare theoretical simulations with real experiments, the geometrical arrangement and the spatial extension of phonon source and detector are also included in the approach enabling a quantitative analysis of the data this way. To illustrate the influence of acoustic anisotropy and carrier confinement on the results of phonon spectroscopy in detail we analyse two different applications. In the first case the low-dimensional electron system acts as the phonon detector and the phonon induced drag current is measured. Our theoretical model enables us to calculate the electric current induced in low-dimensional electron systems by pulses of (ballistic) nonequilibrium phonons. The theoretical drag patterns reproduce the main features of the experimental images very well. The sensitivity of the results to variations of the confining potential of quasi-2D and quasi-1D electrons is demonstrated. This provides the opportunity to use phonon-drag imaging as unique experimental tool for determining the confinement lengths of low-dimensional electron systems. By comparing the experimental and theoretical images it is also possible to estimate the relative strength of the different electron-phonon coupling mechanisms.In the second application the low-dimensional electron system acts as the phonon pulse source and the angle and mode dependence of the acoustic phonon emission by hot 2D electrons is investigated. The results exhibit strong variations in the phonon signal as a function of the detector position and depend markedly on the coupling mechanism, the phonon polarization and the electron confinement width. We demonstrate that the ratio of the strengths of the emitted longitudinal (LA) and transverse (TA) acoustic phonon modes is predicted correctly only by a theoretical model that properly includes the effects of acoustic anisotropy on the electron-phonon matrix elements, the screening, and the form of the confining potential. A simple adoption of widely used theoretical assumptions, like the isotropic approximation for the phonons in the electron-phonon matrix elements or the use of simple variational envelope wavefunctions for the carrier confinement, can corrupt or even falsify theoretical predictions.We explain the `mystery of the missing longitudinal mode' in heat-pulse experiments with hot 2D electrons in GaAs/AlGaAs heterojunctions. We demonstrate that screening prevents a strong peak in the phonon emission of deformation potential coupled LA phonons in a direction nearly normal to the 2D electron system and that deformation potential coupled TA phonons give a significant contribution to the phonon signal in certain emission directions
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Ausbreitung von akustischen Nichtgleichgewichtsphononen und deren Wechselwirkung mit Halbleiter-Nanostrukturen. Güte und Effizienz moderner Halbleiter-Bauelemente hängen wesentlich vom Verständnis der Wechselwirkung akustischer Phononen mit niederdimensionalen Elektronensystemen ab. Traditionelle Untersuchungsmethoden, wie die Messung der elektrischen Leitfähigkeit oder der Thermospannung, erlauben nur eingeschränkte Aussagen. Sie mitteln über die beteiligten Phononenmoden und eine Trennung der einzelnen Wechselwirkungsmechanismen ist nur näherungsweise möglich ist. Demgegenüber erlaubt die in der Arbeit diskutierte Methode der winkel- und zeitaufgelösten Phononen-Spektroskopie ein direktes Studium des Beitrags einzelner Phononenmoden, d.h. in Abhängigkeit von Wellenzahlvektor und Polarisation der Phononen. Im Mittelpunkt der Arbeit steht die Fragestellung, wie akustische Anisotropie und Ladungsträger-Confinement die Ergebnisse der winkel- und zeitaufgelösten Phononen-Spektroskopie beeinflussen und prägen. Dazu wird ein umfassendes theoretisches Modell zur Simulation von Phononen-Spektroskopie-Experimenten an niederdimensionalen Halbleitersystemen vorgestellt. Dieses erlaubt sowohl ein qualitatives Verständnis der ablaufenden physikalischen Prozesse als auch eine quantitative Analyse der Messergebnisse. Die Vorteile gegenüber anderen Modellen und Rechnungen liegen dabei in dem konsequenten Einbeziehen der akustischen Anisotropie, nicht nur für die Ausbreitung der Phononen, sondern auch für die Matrixelemente der Wechselwirkung, sowie eine saubere Behandlung des Confinements der Elektronen in den niederdimensionalen Systemen. Dabei werden die Grenzen weit verbreiteter Näherungsansätze für die Elektron-Phonon-Matrixelemente und das Elektronen-Confinement deutlich aufgezeigt. Für den quantitativen Vergleich mit realen Experimenten werden aber auch solche Größen, wie die endliche räumliche Ausdehnung von Phononenquelle und Detektor, die Streuung der Phononen an Verunreinigungen oder die Abschirmung der Elektron-Phonon-Kopplung durch die Elektron-Elektron-Wechselwirkung berücksichtigt.Im zweiten Teil der Arbeit wird der theoretische Apparat auf typische experimentelle Fragestellungen angewandt. Im Falle der Phonon-Drag-Experimente an GaAs/AlGaAs Heterostrukturen wird der durch akustische Nichtgleichgewichtsphononen in zwei- und eindimensionalen Elektronensystemen induzierte elektrische Strom (Phonon-Drag-Strom) als Funktion des Ortes der Phononenquelle bestimmt. Das in der Arbeit hergeleitete theoretische Modell kann die experimentellen Resultate für die Winkelabhängigkeit des Drag-Stromes sowohl für Messungen mit und ohne Magnetfeld qualitativ gut beschreiben. Außerdem wird der Einfluss unterschiedlicher Confinementmodelle und unterschiedlicher Wechselwirkungsmechanismen studiert. Dadurch ist es möglich, aus Phonon-Drag-Messungen Rückschlüsse auf die elektronischen und strukturellen Eigenschaften der niederdimensionalen Elektronensysteme zu ziehen (Fermivektor, effektive Masse, Elektron-Phonon-Kopplungskonstanten, Form des Confinementpotentials). Als weiteres Anwendungsbeispiel wird das Problem der Energierelaxation (aufgeheizter)zweidimensionaler Elektronensysteme in GaAs Heterostrukturen und Quantentrögen untersucht. Für Elektronentemperaturen unterhalb 50 K werden die Gesamtemissionsrate als Funktion der Temperatur und die winkelaufgelöste Emissionsrate (als Funktion der Detektorposition) berechnet. Für beide Größen wird erstmals eine gute Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment gefunden. Es zeigt sich, dass akustische Anisotropie und Abschirmungseffekte zu überraschenden neuen Ergebnissen führen können. Ein Beispiel dafür ist der unerwartet große Beitrag der mittels Deformationspotential-Wechselwirkung emittierten transversalen akustischen Phononen, der bei einer Emission der Phononen näherungsweise senkrecht zum zweidimensionalen System beobachtet werden kann

A logical progression from the maturing field of colloidal semiconductor quantum dots to the emerging subclass of impurity-doped colloidal semiconductor nanoparticles is underway. To this end, the present work describes the formation and analysis of a new form of Tin-doped Indium Oxide (ITO). The form is that of a colloidal dispersion comprised of pure-phase, 4-6 nanometer ITO particles possessing an essentially single crystalline character. This system forms a non-agglomerated, optically clear solution in a variety of non-polar solvents and can remain in this state, at room temperature, for months and potentially, years. ITO is the most widely used member of the exotic materials family known as Transparent Conductive Oxides (TCOs) and is the primary enabling material behind a wide variety of opto-electronic device technologies. Material synthesis was achieved by initiating a series of interrelated nucleophilic substitution reactions that provided sufficient intensity to promote doping efficiencies greater than 90% for a wide range of tin concentrations. The optical clarity of this colloidal system allowed the intrinsic properties of single crystalline ITO particles to be evaluated prior to their use in thin-films or composite structures. Monitoring the temporal progression of n-type degeneracy by its effects on the optical properties of colloidal dispersions shed light on the fundamental issues of particle formation, band filling (Burstein-Moss) dynamics, and the very origin of n-type degeneracy in ITO. Central to these studies was the issue of excess electron character. The two limiting cases of entirely free and entirely confined electron motion were evaluated by application of bulk-like band dispersion analysis and the effective mass approximation, respectively. This provided a means to estimate the number of excess conduction band electrons present within an individual particle boundary. The ability to control and optimize the level of n-type degeneracy within the colloidal ITO nanoparticle form by compositional variation was also demonstrated. A key to the widespread adoption of a new material by industry is an ability to produce multi-gram and perhaps, kilogram quantities with no significant sacrifice in quality. Accordingly, a modified synthesis process was developed to allow for the mass production of high-quality colloidal ITO nanocrystals.

L’évolution de la technologie microélectronique conduit à une densité d’intégration toujours plus forte des transistors. Les structures d’interconnexions en cuivre Damascène suivent cette tendance et doivent être maîtrisées en termes de fabrication, de performance et de robustesse, ces différents aspects étant intimement liés aux contraintes résiduelles et à la résistivité. Cette thèse vise à comprendre les mécanismes de génération de contraintes et identifier les différentes contributions à la résistivité de ces objets en fonction des conditions de recuit et des dimensions (de la centaine de nm à plusieurs µm). Pour ce faire, les rôles respectifs de la microstructure et des dimensions de films et de lignes de cuivre électrodéposés ont été découplés sur la base de modèles analytiques intégrants des paramètres microstructuraux et géométriques. La microstructure a été analysée principalement à partir de cartographies d’orientations cristallines réalisées par EBSD. Dans le cas des lignes de cuivre de 0.2 à 1 µm de large, les contraintes résiduelles ont été déduites de l’exploitation de nano-capteurs pivotants spécialement élaborés. Les résultats obtenus montrent qu’indépendamment de la température de recuit, l’augmentation de résistivité et de contraintes résiduelles observée vers les faibles dimensions est le fruit d’une diminution de la taille moyenne de cristallites et d’un confinement géométrique plus prononcé. En outre, l’augmentation de résistivité résulte également d’une élévation de la probabilité de réflexion des électrons aux joints de grains. Cette dernière a été associée à la réduction de la proportion de joints de grains spéciaux de cohérence atomique élevée
The evolution of the microelectronic technology leads to a transistors integration density always stronger. The Damascene copper interconnections structures follow this tendency and must be controlled in terms of manufacturing, performance and robustness, these different aspects being intimately related to the residual stresses and resistivity. This thesis aims to understand the mechanisms of the residual stresses generation and identify the different contributions to the resistivity of these objects as a function of annealing conditions and dimensions (from about a hundred of nm to several µm). In order to do this, the respective effects of the microstructure and dimensions of electroplated copper films and lines were separated on the basis of analytical models integrating microstructural and geometrical parameters. The microstructure was principally analysed from mappings of crystalline orientations achieved by EBSD. For the copper lines of width 0.2 and 1 µm, the residual stresses were deduced from the exploitation of nano-rotating sensors specially elaborated. The results obtained show that independently of the annealing temperature, the resistivity and residual stresses increase observed toward the small dimensions arises from the diminution of the average crystallites size and the geometrical confinement more pronounced. Furthermore, the resistivity increase results also of the electrons reflection probability growth at grains boundaries. This last point was associated to the reduction of the proportion of special grains boundaries having a high atomic coherency

La problématique de génération de champs magnétiques quasi-statiques intenses constitue un défi pour la physique de l’interaction laser-plasma. Proposé il y a 30 ans, l’utilisation de cibles "boucles" irradiées par laser se distinguent par leur design compact ne nécessitant aucune génération de courant pulsé en plus de la puissance laser et ont dévoilé récemment leur grand potentiel.Ce travail de thèse s’attache à la caractérisation des phénomènes physiques et au développement de cette technique. On a ainsi montré la génération de forts champs magnétiques quasi-statiques par interaction laser-matière (500 J, durée laser de 1 ns et intensité ~10^17 W/cm^2) atteignant une amplitude de plusieurs centaines de Teslas pendant 2 à 3 ns. L'évolution temporelle et la distribution spatiale des champs magnétiques ont été mesurés par trois diagnostics indépendants : sondes B-dot, rotation de Faraday et défléctométrie de protons. La caractérisation des mécanismes physiques sous-jacents ont aussi fait appel à des diagnostics de rayonnements X de la région irradiée par laser ainsi qu’à des mesures d’ombroscopie optique du fil de la boucle en expansion.Une application de ces champs au guidage magnétique d’électrons relativistes dans la matière dense a permis d'ouvrir de nouvelles perspectives au transport de hautes densités d’énergies dans la matière. En effet, en laissant suffisamment de temps pour que le champ magnétique pénètre dans la cible dense, une amélioration d’un facteur 5 de la densité d’énergie portée par les électrons après 50 µm de propagation a été mise en évidence.En outre, des décharges de courants intenses consécutives à l'irradiation par impulsion laser courtes (50 J, durée laser < 1 ps et intensité ~10^19 W/cm^2) ont été observées. Une imagerie protonique de la décharge a permis de mesurer la propagation d’une onde électromagnétique à des vitesses proches de la vitesse de la lumière. Cette onde d’une durée de ~ 40 ps a été utilisée comme lentille électromagnétique pour focaliser et sélectionner sur une bande étroite d'énergie un faisceau de protons de plusieurs MeV (jusqu’à 12 MeV) passant dans la boucle.Les résultats de ces différentes mesures et applications expérimentales ont été par ailleurs confrontées à des simulations et à des modèles analytiques.Les applications de cette thèse se déploient sur des aspects comme :- la fusion par confinement inertiel, en guidant des faisceaux d'électrons relativistes jusqu'au cœur de la capsule de combustible, tout en confinant les particules qui y déposent leur énergie ainsi que celles créées par les réactions de fusion nucléaire;- l'astrophysique et la planétologie de laboratoire, en générant des sources secondaires de particules énergétiques ou de rayonnement afin de porter la matière dense a de très hautes températures (matière tiède et dense), ou en magnétisant des plasmas pour reproduire des phénomènes astrophysiques à plus petite échelle au laboratoire;- et enfin le contrôle de faisceaux de particules chargées dans le vide pour le développement de sources laser dans le cadre d'applications s'effectuant à distance de la source notamment en science, dans l'industrie, ou même en médecine
The problem of strong quasi-static magnetic field generation is a challenge in laser-plasma interaction physics. Proposed 30 years ago, the use of the laser-driven capacitor-coil scheme, which stands out for its compact design while not needing any additional pulsed power source besides the laser power, only recently demonstrated its potential.This thesis work aims at characterizing the underlying physics and at developing this scheme. We demonstrated the generation of strong quasi-static magnetic fields by laser (500 J, 1 ns-duration and ~10^17 W/cm^2 intensity) of several hundreds of Teslas and duration of 2-3 ns. The B-field space- and time-evolutions were characterized using three independent diagnostics: B-dot probes, Faraday rotation and proton-deflectometry). The characterization of the underlying physical processes involved also X-ray diagnostics of the laser-irradiated zone and optical shadowgraphy of the coil rod expansion.A novel application of externally applied magnetic fields to guide relativistic electron beam in dense matter has been carried out and the obtained results set the ground for improved high-energy-density transport in matter. Indeed, allowing sufficient time for the dense target magnetization, a factor 5 improvement of the electron energy-density flux at 50µm-depth was evidenced.Besides, the generation of high discharge currents consecutive to short laser pulse irradiation (50 J, <1 ps-duration and ~10^19 W/cm^2 intensity) was also pointed out. Proton imaging of the discharge permitted to measure the propagation of an electromagnetic wave at a velocity close to the speed of light. This wave, of ~40ps-duration, was used as an electromagnetic lens to focalize and energy-select a narrow energy range within a multi-MeV proton beam (up to 12 MeV) passing through the coil.All-above experimental measurements and application results were thoroughly compared to both computer simulations and analytic modeling.The applications of this thesis work in a near future will concern:- inertial confinement fusion, by guiding relativistic electron beams up to the dense core nuclear fuel, and by confining particles depositing their energy in it, or even those resulting from the fusion reactions;- laboratory planetology and astrophysics, by generating secondary sources of energetic particles and radiation to reach the warm-dense-matter state or by magnetizing plasmas to reproduce astrophysical phenomena in scaled experiments;- and finally, the control of charged particle beams in vacuum, useful in particular for the development of laser-driven sources for distant applications in science, industry or even medecine

Etude du mecanisme de corrosion localisee observee sur les alliages fe-36ni et intervenant lors de leur stockage par empilement de feuilles destinees a la fabrication de supports de circuits integres. Utilisation d'une cellule de simulation ou l'epaisseur de l'electrolyte est maintenue a une tres faible valeur (