Théorie cinétique non linéaire des ondes plasma électroniques et application à la diffusion Raman stimulée - CEA - Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives Access content directly
Theses Year : 2022

Nonlinear kinetic theory of electron plasma waves and application to stimulated Raman scattering

Théorie cinétique non linéaire des ondes plasma électroniques et application à la diffusion Raman stimulée

Mikael Tacu
  • Function : Author
  • PersonId : 1222767
  • IdRef : 267457685

Abstract

The results derived in this thesis are part of a long-term research activity on the kinetic description of nonlinear electron electron plasma waves (EPW) growing at a rate much smaller than the plasma frequency. EPW's resulting from stimulated Raman scattering (SRS) in laser fusion experiments are such slowly growing waves, and laser-plasma interaction in such experiments are one of the main motivation of the work presented in this dissertation. Thanks to the results derived in this thesis, the EPW's nonlinear properties may be now described from the moment when theses waves grow from thermal noise up to the time when they break. Indeed, we provided a self-consistent derivation of the nonlinear electron distribution function, the nonlinear frequency shift of the wave, and of its scalar and vector potentials. From the knowledge of the latter quantity we could derive the magnetic generated by the nonlinear EPW, which is therefore not electrostatic. Moreover, we showed that no solution to the nonlinear dispersion relation could exist beyond a maximum amplitude, which allowed us to derive an upper for the wave breaking limit. This result, together with that on the nonlinear frequency shift, were used in a code based on a nonlinear ray tracing to simulate SRS. This allowed us to derive very accurately, and about 10⁷ times faster than with a Particle In Cell code, the EPW transverse spectrum, when this wave resulted from the SRS of laser wave focused inside the plasma. Finally, we addressed the stability of the wave we described theoretically. We first solved, for the first time, the exact theory for the trapped particles instability. For a smooth enough distribution function, we showed that the spectrum of unstable modes derived theoretically was in very good agreement with that derived from kinetic simulations using a Vlasov code. Moreover, we pointed out the difficulty to address, both theoretically and numerically, the stability of a very slowly growing wave, because of the abrupt variations of the distribution function close to the separatrix. This let conclude on the future research activity to pursue in order to overcome this difficulty.
Les travaux présentés dans cette thèse s'inscrivent dans un effort à long terme sur la description cinétique des ondes plasma électroniques (EPW), croissant à un taux beaucoup plus petit que la fréquence plasma. C'est le cas des ondes créées par diffusion Raman stimulée (SRS) dans les expériences de fusion par confinement inertiel, l'étude de l'interaction laser-plasma dans de telles expériences étant une des motivations premières de la thèse. Grâce aux résultats que nous avons obtenus, couplés à ceux de précédents travaux, nous pouvons désormais décrire complètement, et de manière très précise, les propriétés d'une onde plasma électronique créée par SRS, depuis le moment où elle croît à partir du bruit thermique jusqu'au moment où elle se brise. Nous avons ainsi calculé de manière auto-cohérente la fonction de distribution électronique, le décalage non linéaire en fréquence de l'onde plasma, ainsi que ses potentiel scalaire et vecteur. La connaissance de cette dernière quantité nous a permis de déduire le champ magnétique créé par une onde plasma non linéaire, qui n'est donc pas purement électrostatique. De plus, en montrant que la relation de dispersion non linéaire n'admettait pas de solution au-delà d'une certaine amplitude, nous avons pu donner une borne supérieure à la limite de wave breaking pour une onde plasma électronique. Les résultats obtenus sur le décalage en fréquence non linéaire et sur la limite de wave breaking ont été utilisés pour simuler la SRS à l'aide d'un code basé sur un tracé de rayons non linéaire. Cela nous a permis de calculer très précisément, et environ 10⁷ fois plus vite qu'avec un code Particle In Cell, le spectre des modes transverses de l'EPW, dans le cas où elle résultait de la SRS d'une onde laser focalisée dans le plasma. Enfin, dans un dernier temps, nous avons étudié la stabilité des ondes plasma que nous avons décrites. Nous avons tout d'abord résolu, pour la première fois, la théorie exacte de l'instabilité des particules piégées. Nous avons montré que, dans le cas d'une fonction de distribution lisse, le spectre des modes instables calculé théoriquement était en excellent accord avec celui déduit de simulations cinétiques de type Vlasov. De plus, nous avons mis en évidence la difficulté de traiter, à la fois théoriquement et numériquement, le cas d'ondes croissant très lentement, à cause de la variation abrupte de la fonction de distribution électronique près de la séparatrice. Nous indiquons alors les pistes de recherche à poursuivre pour surmonter cette difficulté.
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Dates and versions

tel-03969778 , version 1 (02-02-2023)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03969778 , version 1

Cite

Mikael Tacu. Théorie cinétique non linéaire des ondes plasma électroniques et application à la diffusion Raman stimulée. Physique des plasmas [physics.plasm-ph]. Université Paris-Saclay, 2022. Français. ⟨NNT : 2022UPASP130⟩. ⟨tel-03969778⟩
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