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Single-shot studies of a Co/Pd thin film's magnetic nano-domain structure using ultrafast x-ray scattering
No full textInternational audienceUnderstanding ultrafast dynamics of nanoscale objects is an important challenge in nanoscience and technology. Their investigation relies on the availability of ultrafast probe techniques capable of combining femtosecond time resolution with nanometer spatial resolution. Such experiments benefit greatly from the recent advent of x-ray free electron laser facilities. The extreme intensity of their short femtosecond x-ray pulses enables ultrafast snapshot characterization with nanoscale spatial resolution. Here, we demonstrate that such experiments are not uniquely limited to large-scale facilities, but that they can also be realized using high harmonics from a table-top femtosecond laser system. To do so, we have employed resonant magnetic x-ray scattering of a single 20?fs short XUV laser-harmonic pulse to characterize the nanometer sized magnetic domain structure of Co/Pd thin film. Moreover, the technique being element specific, we have looked at the domain structure within each of the two layer types by selecting harmonics resonant with the Co M3 (60?eV) and the Pd N3 (51?eV) edge, respectively
Analyse spectrale des mécanismes de propagation et de dissipation de la turbulence dans les plasmas de vent solaire et de tokamaks
No full textThis thesis takes part in the study of spectral transfers in the turbulence of magnetized plas- mas. We will be interested in turbulence in solar wind and tokamaks. Spacecraft measures, first principle simulations and simple dynamical systems will be used to understand the mechanisms behind spectral anisotropy and spectral transfers in these plasmas.The first part of this manuscript will introduce the common context of solar wind and tokamaks, what is specific to each of them and present some notions needed to understand the work presented here.The second part deals with turbulence in the solar wind. We will present first an obser- vational study on the spectral variability of solar wind turbulence. Starting from the study of Grappin et al. (1990, 1991) on Helios mission data, we bring a new analysis taking into account a correct evaluation of large scale spectral break, provided by the higher frequency data of the Wind mission. This considerably modifies the result on the spectral index distribution of the magnetic and kinetic energy. A second observational study is presented on solar wind turbulence anisotropy using autocorrelation functions. Following the work of Matthaeus et al. (1990); Dasso et al. (2005), we bring a new insight on this statistical, in particular the question of normali- sation choices used to build the autocorrelation function, and its consequence on the measured anisotropy. This allows us to bring a new element in the debate on the measured anisotropy depending on the choice of the referential either based on local or global mean magnetic field.Finally, we study for the forst time in 3D the effects of the transverse expansion of solar wind on its turbulence. This work is based on a theoretical and numerical scheme developped by Grappin et al. (1993); Grappin and Velli (1996), but never used in 3D. Our main results deal with the evolution of spectral and polarization anisotropy due to the competition between non- linear and linear (Alfvén coupling, solar wind transverse expansion) mechanisms. Comparison with observations prooves the efficiency of this model.The third and last part deals with spectral transfers in tokamaks. The Gysela simulation and the turbulence in this model will be introduced to the reader. We bring a new diagnostic tool aimed at the understanding of the radial transport of turbulence in the sheared magnetic field of a tokamak. We bring new elements to the question of spectral organisation of avalanches. The toroïdal coupling is known to relax the energy from ITG instabilities into ballooning modes. We debate its role in the radial propagation of avalanches. We also bring a new reduced model to try and understand these different turbulent mechanisms with minimal hypothesis.Cette thèse s’inscrit dans le cadre de l’étude des transferts spectraux dans la turbulence des plasmas magnétisés. En particulier, nous nous intéressons ici à la turbulence dans le vent solaire et à la turbulence dans les tokamaks. Nous nous appuyons sur des observations spatiales, des si- mulations premiers principes et des systèmes dynamiques simples pour comprendre l’anisotropie et les transferts spectraux dans ces plasmas.La première partie de cette thèse s’attache à introduire le contexte commun, puis spécifique à chacun de ces deux domaines et présenter les notions nécessaires à la compréhension du travail présenté.La seconde partie traite de la turbulence dans le vent solaire. Nous présentons premièrement un travail observationnel sur la variabilité des spectres de la turbulence dans le vent solaire. Nous reprenons avec les données des sondes Helios et Wind l’analyse de Grappin et al. (1990, 1991) faite sur la mission Helios en tenant compte correctement de la cassure spectrale à grande échelle ce qui modifie considérablement le résultat et en particulier resserre la distribution des pentes spectrales autour du couple (5/3,3/2) pour le champ magnétique et le champ de vitesse. Un second pan observationnel du travail sur le vent solaire a été d’étudier l’anisotropie de la turbulence dans le vent solaire en utilisant l’outil de la fonction d’autocorrélation. Nous nous inscrivons dans la suite des travaux de Matthaeus et al. (1990); Dasso et al. (2005) sur la fonc- tion d’autocorrélation. Nous proposons de nouveaux diagnostics sur les méthodes statistiques utilisées, notamment les normalisations, pour construire les fonctions d’autocorrélation et exa- minons les conséquences de ces normalisations sur la mesure de l’anisotropie. Nous apportons également un élément nouveau dans le débat sur la mesure de l’anistropie de la turbulence dans les repères liés au champ magnétique moyen local ou global.Enfin, nous étudions pour la première fois en 3D, les effets de l’expansion transverse du vent solaire sur sa turbulence. Ce travail utilise un schéma théorique et numérique (boîte en expansion) mis au point par Grappin et al. (1993); Grappin and Velli (1996), mais jamais utilisé à 3D. Nos résultats principaux concernent l’évolution de l’anisotropie spectrale et de composante dans le vent, résultant de la compétition entre effets non-linéaire et linéaires (effet Alfvén, expansion du vent). La comparaison avec les observations montre l’efficacité du modèle. Nous décrivons également un nouveau modèle en couche qui permet d’expliquer simplement nos résultats.La troisième et dernière partie traite des transferts spectraux dans la turbulence de tokamak. Nous présentons au lecteur le code de simulation Gysela et les mécanismes de la turbulence qui y règne. Nous apportons un nouveau diagnostic numérique pour comprendre les mécanismes de transferts radiaux de l’énergie dans le cadre du champ magnétique cisaillé du tokamak. Nous apportons de nouveaux éléments de réponse à la question de l’organisation spectrale des avalanches. En plus du rôle connu du couplage toroïdal dans la relaxation de l’apport d’énergie des instabilités ITG vers les modes de ballonnement, nous étudions sa place dans la propagation radiale des avalanches. Nous présentons également un modèle réduit original pour expliquer de manière minimale les régimes de turbulence rencontrés
Analyse et modélisation de l'humidité des sols et des processus d'évaporation, implications pour le réchauffemet climatique
No full textThis thesis deals with the study of evaporation and soil moisture, t wo main parameters of the hydrological cycle, and thus the climate system. First, potential evaporation (ET P ) is analysed. It is an important input to hydrological and agronomic models, key to describe the interactions between the surface e and the atmosphere, and the basis of most of the estimations of actual evapora tion. Physically-based and empirical methods to estimate ET P are evaluated, at a global scale, under current climate conditions and in a changing climate. The former methods correspond to those implemented in land surface models (LSM) and the Food and Agriculture Organization (F AO) reference evapotranspiration equation. The assumptions made in FAO's method underest imate ET P if compared to LSM methods. They also result in a lower sensitive ty of ET P to climate change. In addition, empirical equations are not able to reproduce the impact of climate change on ET P if compared to that from LSM methods. Soil moisture is the second aim of this thesis. It is treated t hrough the analysis of brightness temperatures (TB). These are a measure of the radiation emitted by the surface , and thus an optimum parameter to use in remote sensing techniques for soi l moisture retrieval. Measured TB from the Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) mission are compared, over the Iberian Peninsula, to two sets of TB modelled estimates from two LSM. There is a good agreement in the temporal evolution between them. However, discrepancy es are found regarding the spatial structures, which become more evident during fall and winter and are mainly explained by differences in the annual cycle of measured and modelled TB.Cette thèse étudie l'évaporation et l'humidité du sol, deux paramètres clefs du cycle hydrologique et du système climatique.L'évaporation potentielle (ETP) est un paramètre clef pour les modèles hydrologiques et agronomiques qui décrit les interactions entre la surface et l'atmosphère. Il constitue la base des estimations de l'évaporation réelle. Nous avons évalué, à l'échelle globale et pour le climat actuel ainsi que pour les changements attendus, des estimations de l'ETP basées sur des principes physiques ainsi que des approches empiriques. La méthode d'estimation du flux potentiel conseillée par la Food and Agriculture Organization (FAO) montre une sous évaluation par rapport au schéma de surface, ce qui a pu être relié à certaines hypothèses faites. Ceci implique aussi une sensibilité plus faible au changement climatique de la formulation proposée par la FAO. Nous avons aussi constaté que les méthodes empiriques ne représentent pas correctement l'impact du changement climatique sur l'ETP.L'humidité du sol est analysée du point de vue de la température de brillance en Bande-L (TB). Cette mesure du rayonnement émis par la surface dans une bande spectrale sensible à l'eau dans les premiers centimètres du sol, constitue une des pistes pour l'estimation de l'humidité de surface depuis l'espace. Des mesures de TB ont été comparées, au dessus de la Péninsule Ibérique, à des données simulées par deux schémas de surface. Un bon accord a été trouvé entre les observations et les simulations sur l'évolution temporelle des signaux. Par contre, les structures spatiales peuvent être très différentes au cours de l'automne et l'hiver à cause de cycles annuels très contrastés
Numerical study of beam propagation and plasma properties in the neutralizer and the E-RID of the ITER Neutral Beam Injector
No full textInternational audienceNon-ohmic heating will be used in the experimental nuclear fusion reactor ITER to reach thermonuclear temperatures. Two heating mechanism will be implemented, i.e. microwaves resonant with ion and electron cyclotron frequencies and energetic neutral beam injection, which contributes also to the current drive. Each one of the two neutral beam injector planned for ITER will deliver 16 MW of 1 MeV D0 beam. In the injector, negative ions D− coming from a 40 A negative ion source are electrostatically accelerated to 1 MeV, and stripped of their extra electron by collision with a target gas in a structure known as the neutralizer. Residual charged particles are deflected after the neutralizer in an electrostatic ion dump (E-RID). The ionization of the deuterium buffer gas filling the neutralizer induced by the D− beam creates a rarefied plasma which is expected to efficiently screens the Coulomb repulsion of the beam. Moreover, this plasma can eventually escape from the neutralizer and move back in the accelerator, towards the accelerating grids and the negative ion source. The transport of the beam through the neutralizer and the RID and the related plasma properties were studied using a 3D electrostatic particle-in-cell code called OBI-3 (Orsay Beam Injector 3 dimensional). Particle–particle and particle–wall collisions are treated using the Monte Carlo collision approach. Simulations show that the secondary plasma effectively screens the beam space charge preventing beam transverse expansion. Plasma ions created in the neutralizer form an upstream current with a magnitude of ~0.5% of the negative ion current. Gas breakdown leading to arc formation in the RID was not observed. Finally, results for the propagation of non-ideal beams coming from simulations of the extraction and consecutive acceleration taken from Revel et al 2013 Nucl. Fusion 53 073027 are presented
Unraveling resistive versus collisional contributions to relativistic electron beam stopping power in cold-solid and in warm-dense plasmas
No full textInternational audienceWe present results on laser-driven relativistic electron beam propagation through aluminum samples, which are either solid and cold or compressed and heated by laser-induced shock. A full numerical description of fast electron generation and transport is found to reproduce the experimental absolute Kα yield and spot size measurements for varying target thicknesses, and to sequentially quantify the collisional and resistive electron stopping powers. The results demonstrate that both stopping mechanisms are enhanced in compressed Al samples and are attributed to the increase in the medium density and resistivity, respectively. For the achieved time- and space-averaged electronic current density, ⟨jh⟩∼8×1010A/cm2 in the samples, the collisional and resistive stopping powers in warm and compressed Al are estimated to be 1.5keV/μm and 0.8keV/μm , respectively. By contrast, for cold and solid Al, the corresponding estimated values are 1.1keV/μm and 0.6keV/μm . Prospective numerical simulations involving higher jh show that the resistive stopping power can reach the same level as the collisional one. In addition to the effects of compression, the effect of the transient behavior of the resistivity of Al during relativistic electron beam transport becomes progressively more dominant, and for a significantly high current density, jh∼1012A/cm2 , cancels the difference in the electron resistive stopping power (or the total stopping power in units of areal density) between solid and compressed samples. Analytical calculations extend the analysis up to jh=1014A/cm2 (representative of the full-scale fast ignition scenario of inertial confinement fusion), where a very rapid transition to the Spitzer resistivity regime saturates the resistive stopping power, averaged over the electron beam duration, to values of ∼1keV/μm
Hydration gibbs free energies of open and closed shell trivalent lanthanide and actinide cations from polarizable molecular dynamics
No full textInternational audienceThe hydration free energies, structures, and dynamics of open- and closed-shell trivalent lanthanide and actinide metal cations are studied using molecular dynamics simulations (MD) based on a polarizable force field. Parameters for the metal cations are derived from an ab initio bottom-up strategy. MD simulations of six cations solvated in bulk water are subsequently performed with the AMOEBA polarizable force field. The calculated first-and second shell hydration numbers,water residence times, and free energies of hydration are consistent with experimental/theoretical values leading to a predictive modeling of f-elements compounds
Simulating the Mars Climate with the LMD Mars Global Climate Model: validation and issues
No full textInternational audienceThe Mars atmosphere Global Climate Model (GCM) developed at the Laboratoire de Météorologie Dynamique in collaboration with several teams in Europe (LATMOS, University of Oxford, The Open University, the Instituto de Astrofisica de Andalucia), and with the support of ESA and CNES is currently used for many kind of applications. Our primary objective is to predict all details of the Mars Climate system, including the dust, water, CO 2 and photochemical cycles from the surface to the exobase, yet only on the basis of universal equations. In practice, to simulate a given year, we still have to assume a daily map of column dust opacity (See Montabone et al., this issue), but otherwise the model is almost free of other forcing (including to predict the dust vertical distribution). 2013 was an important milestone for the project since it concluded a long series of model development defined on the basis of the analysis of the Mars Climate Database version 4, released in 2005 using a previous version of our GCM (Forget et al. 2006). Key improvements As documented in the previous edition of the Mars Atmosphere Modeling and Observation Workshop, and in the per-review literature: Improved dynamical core for the polar atmosphere Improvements of Mars surface fields (albedo and thermal inertia map) Inclusion of subsurface water ice in the CO 2 ice cap energy balance, and improved tuning of the CO 2 cycle Improved parametrizations of convection and near surface turbulence, using a thermal plume model This thermal plume model is coupled to surface layer parameterizations taking into account stability and turbulent gustiness to calculate surface-atmosphere fluxes (Colaitis et al. 2013) Improvement of the representation of the airborne dust (Madeleine et al. 2011) based on a " semi-interactive " two moments dust transport scheme to predict the dust vertical distribution and the 3D variation of dust particle radii, coupled to improved radiative transfer calculation
Microphysical Simulations of Mesospheric CO2 Ice Clouds and Comparison to Observations
No full textWe will present results obtained with the 1D- simulations of mesospheric CO2 ice clouds within cold pockets created by gravity waves, and compare them to observations. Simple dust scenarios are pre- scribed to account for condensation nuclei, necessary to explain measured opacities
Viscoplasticité à l'ambiante du titane en relation avec ses teneurs en oxygène et hydrogène
No full textThe aim of the thesis is to study at the macroscopic, mesoscopic and microscopic scales, the effects of interstitials contents (oxygen and hydrogen) on titanium viscoplasticity at room temperature.At the macroscopic scale, the behavior was studied by tensile tests, strain rate jumps, relaxation and creep tests along to the rolling direction and the transverse direction. The materials show an anisotropic behavior due to a marked crystallographic behavior and a variation of the deformation modes when changing the loading direction. We note a hardening effect of oxygen and a discrete effect of hydrogen especially in the beginning of the plastic flow and during creep. The activated deformation mechanisms were observed in real time during in-situ tensile tests under an optical microscope or under SEM preceded by EBSD measurements of crystal orientations and accompanied by measures of local deformation fields and strain heterogeneity by digital image correlation. The tests highlight the predominance of prismatic glide. A solicitation along the transverse direction and an increase in the oxygen content promotes the basal glide and twinning. The critical resolved shear stresses of different slip systems increases with increasing oxygen contents.The analysis was also based on TEM observations of dislocations arrangements and twinning. The experimental data were used to identify a mean-field crystal viscoplasticity model.L’objectif de la thèse est l’étude aux échelles macro, méso et microscopique des effets des interstitiels (oxygène et hydrogène) en solution sur le comportement viscoplastique à la température ambiante du titane.Les essais macroscopiques de traction, saut de vitesse, relaxation et fluage ont montré une anisotropie de comportement liée à la présence d’une texture cristallographique assez marquée et à la diversité des mécanismes de déformation plus ou moins activés selon le sens de sollicitation. On note un effet durcissant de l’oxygène et un effet plus discret de l’hydrogène qui se manifeste surtout à l’entrée de plasticité (durcissement ou adoucissement, selon le sens de sollicitation) et en fluage (accélération ou ralentissement du fluage selon le niveau de contrainte). En outre, l’oxygène semble être à l’origine de phénomènes de vieillissement statique et accentuer les effets de vieillissement dynamique.Les données expérimentales ont permis d’identifier une loi de comportement viscoplastique anisotrope avec le code ‘Zébulon’. Toutefois, le modèle macroscopique reste incapable de bien simuler certains aspects de l’anisotropie du comportement des matériaux raison pour laquelle il a été décidé de s’orienter vers un modèle de plasticité cristalline. Afin d’alimenter ce modèle et d’étudier les effets des interstitiels sur les seuils d’activation des divers systèmes de glissement et de maclage, des essais interrompus de traction ont étés menés sous MEB et sous microscope optique pour différentes teneurs en oxygène et différentes directions de sollicitation. Ces essais montrent que le glissement prismatique est le mode de déformation principal, mais qu’une sollicitation dans le sens travers et une baisse de la teneur en oxygène favorisent le glissement basal et le maclage. Les cissions critiques des différents systèmes de glissement augmentent avec la teneur en oxygène. Les essais sous MEB ont également permis de calculer les champs de déformations locales par corrélation d’images numériques et de caractériser l’hétérogénéité de la déformation. Les coefficients de Lankford ainsi obtenus sont plus grands dans le sens travers et dans le matériau plus riche en oxygène. Une tendance à la déformation par glissement aux joints de grain conduisant finalement à un endommagement intergranulaire a été mise en évidence. Un modèle de plasticité cristalline « en champ moyen » a été identifié pour les matériaux de base. Il rend assez bien compte de leur comportement viscoplastique anisotrope. Des observations en microscopie électronique à transmission post-mortem de lames minces issues des éprouvettes déformées en fluage montrent que l’oxygène rend les dislocations plus rectilignes, coplanaires et parallèles avec un caractère vis dominant, ce qui suggère que l’oxygène augmente la friction de réseau et rend le glissement dévié plus difficile. La direction de sollicitation influence les modes de la déformation : on note plus de glissement pyramidal et de dislocations de type après traction dans le sens travers, ce qui est en accord avec les observations à échelle mésoscopique