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Strong field double ionization of atoms : The phase space perspective
No full textLorsqu'ils sont soumis à des pulses laser courts et intenses, des atomes peuvent perdre des électrons. Plusieurs canaux sont impliqués dans la double ionisation, comme la NSDI et le scénario associé de la recollision. La recollision est maintenant vue comme la “pierre d'angle de la physique en champ fort” pour les éclairages qu'elle donne dans l'organisation de la matière et en ce qu'elle constitue l'une des manifestations les plus flagrantes de la corrélation électron-électron dans la nature. Dans ce manuscrit, une analyse théorique des mécanismes de double ionisation est menée en utilisant la mécanique classique. Cette description complémente les modèles quantiques en observant la dynamique depuis un cadre de travail différent et avec l'éclairage de la dynamique nonlinéaire. L'analyse, menée dans l'espace des phases, permet l'identification des structures organisatrices qui régulent les différents mécanismes d'ionisation. Pour des champs laser polarisés linéairement, le mécanisme de la recollision est complété par l'image de l'électron interne. L'électron interne donne accès à une description fine de la dynamique de recollision et explique les différentes routes pour la double ionisation. Il permet également de faire des prédictions telles que l'intensité du coude dans la probabilité de double ionisation et explique complètement la RESI. En polarisation circulaire, il est communément cru que la recollision n'est pas possible, en dépit de résultats expérimentaux contradictoires. En fait, l'analyse de l'espace des phases montre que la recollision est possible mais pas accessible à tous les atomes, réconciliant par conséquent les contradictions expérimentales précédentes.When subjected to strong and short laser pulses, atoms may lose electrons. Several ionization channels are involved in such double ionization events, like nonsequential double ionization (NSDI) and its associated recollision scenario. Recollision is now seen as the “keystone of strong field physics”, for its insights into the organization of matter, and is one of the most dramatic manifestations of electron-electron correlation in nature. In this manuscript a theoretical analysis of the double ionization mechanisms is carried out using classical mechanics. This description complements quantum treatments by observing the dynamics from a different framework, with the light of nonlinear dynamics, as both frameworks exhibit the main ingredient, i.e., strong electron-electron correlation. The analysis, carried out in phase space (e.g., through reduced models) enables the identification of the organizing structures that regulate the ionization channels. For linearly polarized lasers, the recollision mechanism is completed by the picture of the “inner” electron. The inner electron gives access to a fine description of the recollision dynamics and explains the routes to double ionization. It also enables verifiable predictions such as the location of the characteristic knee shape in the double ionization yield versus laser intensity and fully explains delayed ionizations like RESI. For circular polarization, it is commonly believed that recollision is not possible, despite apparently contradictory experimental results. In fact, the phase space analysis shows that recollision is possible but not accessible to all atoms, thus reconciling the previous experimental results
Modélisation et contrôle hamiltonien du transport radial dans les plasmas magnétisés à configuration linéaire
No full textDans l'optique de produire de l'énergie à travers les réactions de fusion, nous sommes amenés à étudier des phénomènes physiques qui ont lieux dans les tokamaks. Les instabilités qui existent dans les tokamaks peuvent fortement dégrader le confinement et ont un impacte sur le fonctionnement de futurs réactions à fusion. Des mesures révèlent un fort transport radial. Même si ce transport radial est en partie est une conséquence des collisions, l'instabilité d'interchange est la source dominante à ce transport puisque le type de plasmas nous intéressant sont faiblement collisionnels. Dans la limite non collisionnelle, la description hamiltonienne permet de décrire le système dynamique des particules du plasmas dans un champ électromagnétique. Nous donnons de l'importance à cette description afin de pouvoir accéder aux outils hamiltoniens.Nous travaillons sur la modélisation et le contrôle hamiltonien du transport radial. Après avoir écrit le modèle hamiltonien des particules d'un plasma magnétisé, nous introduisons les réductions de ce modèle lagrangien en modèles eulériens réduits afin de s'adapter à certains calculs numériques et théoriques. Ces réductions donnent lieux aux équations fluides hamiltonien. Cependant, nous montrons que ces réductions peuvent faire perdre la propriété hamiltonienne. En particulier pour obtenir un modèle ayant la température des ions (puisqu'elle n'est pas négligeable au centre du plasma), nous montrons la procédure conservant la propriété hamiltonienne à partir du modèle sans température des ions.Quant à l'étude du transport radial, nous appliquons une des propriétés hamiltoniennes (le contrôle) afin de créer une barrière de transport par des perturbations du système. Nous étudions de manière idéale l'effet du contrôle à travers la dynamique lagrangienne des traceurs appelés particules test. Nous faisons particulièrement des efforts dans la prise en compte des contraintes numériques et expérimentales. Nous montrons notamment la robustesse du contrôle lors de l'application des perturbations par des sondes de Langmuir.Finalement, nous étudions l'application du contrôle dans un modèle eulérien décrivant la rétroaction du plasmas (à travers la densité et le potentiel électrique) lorsque nous appliquons les perturbations. Cette étape permet de prendre en compte le couplage du système plasma-perturbations. En utilisant un code fluide permettant de décrire le plasma de bord lors de perturbations générées par des sondes de Langmuir. Nous développons un algorithme permettant de calculer le contrôle en tout temps en fonction du potentiel électrique. Nous montrons alors que la valeur moyenne du potentiel électrique joue un rôle important pour l'application du contrôle dans un modèle fluide.In order to produce energy through fusion reactions, we are led to study of physical phenomena that occur in tokamaks. The instabilities that exist in tokamaks can significantly degrade the confinement and have an impact on the operation of future fusion reactors. Measurements reveal a strong radial transport. Although this is partly a consequence of collisions, the interchange instability is the dominant source to transport since the type of plasmas that interest us are weakly collisional. Within non collisional limit, the Hamiltonian description used to describe the dynamical system of charged particles in an electromagnetic field. We give importance to this description in order to access the Hamiltonian tools.We are working on modeling and control Hamiltonian of radial transport. After writing the Hamiltonian model of particles in a magnetized plasma, we introduced some reductions from Lagrangian models to Eulerian reduced models in order to accommodate some theoretical and numerical calculations. These places give the Hamiltonian fluid equations. However, we show that these reductions may lose the Hamiltonian property. In particular for a model with the ion temperature (not neglected at the center of the plasma), we show the procedure preserving the Hamiltonian property from the model without ion temperature.As for the study of radial transport, we apply one of the Hamiltonian properties (the control) to create a transport barrier by perturbations of the system. We are looking ideally the effect of control through the Lagrangian dynamics of tracers called test particles. We make particular efforts in the consideration of numerical and experimental constraints. We show the robustness of control when applying perturbations by Langmuir probes.Finally, we study the application of control in an Eulerian model describing the feedback of plasma (through the density and the electric potential) when we apply the perturbations. This step allows to take into account the coupling of the system plasma-perturbations. We use a numerical code to describe the plasma at the edge during perturbations generated by Langmuir probes. We develop an algorithm to calculate the control at all times depending on the electric potential. Finally we show that the average value of electric potential plays an important role in the implementation of control in a fluid model
Transport in deterministic ratchets: periodic orbit analysis of a toy model
No full textWe consider a toy model of ratchet behavior, the so-called Parrondo games. We build up a deterministic version of the game and show that periodic orbit theory is able to detail its quantitative features thoroughly
The mathematical structure of fluids and plasmas: a volume dedicate to the 60th birthday of Phil Morrison
No full textInternational audienc
Investigation of guiding center dynamics in turbulent plasmas
No full textTransport of particles inside thermonuclear magnetic fusion devices is of great interest. The greatest limit on confinement time is indeed associated with the transport of particles across the plane perpendicular to magnetic field lines, the experimental data reveal much larger values of diffusion coefficients with respect to the expected ones. A phenomenon considered one of the main ones responsible for this behaviour is turbulence-induced transport. In this manuscript, a guiding centre model is exploited to study the motion of particles inside a turbulent electrostatic field in simplified slab geometry. It is showed how to obtain the gyrokinetic Hamiltonian expression at the second order in the small parameter (related to the amplitude of the fluctuations in the electrostatic potential) and the related governing equations for guiding centres in the transverse plane. It is then outlined how to obtain the same kind of governing equations for a full kinetic approach. The numerical Python code is presented in its main parts. A time-step analysis is then presented for both the guiding centre and full orbits approach. The main analysis of results is focused on the investigation of the influence of physical parameters ρ and η, respectively Larmor radius and real parameter, on the dynamics of the system, together with the investigation of an unveiled anomalous ballistic behaviour for certain regimes of motion. The computation of rotational number with weighted Birkhoff average leading to interesting results is included in this last analysis. A possible explanation for this super-diffusive regime through the existence of meandering invariant tori is then provided. The last part of numerical analysis is focused on the comparison of results from the guiding centre model with the full kinetic one, the presence of the anomalous super-diffusive behaviour in a non-approximated and more reliable model would mean that the phenomenon may be really present in turbulent plasmas
Gyrokinetic modelling of plasma transport and investigation on test particle dynamics
No full textTurbulent plasmas inside tokamaks are modeled and studied using guiding center theory, applied to charged test particles, in a Hamiltonian framework. The equations of motion for the guiding center dynamics, under the conditions of a constant and uniform magnetic field and turbulent electrostatic field are derived by averaging over the fast gyroangle, for the first and second order in the guiding center potential, using invertible changes of coordinates such as Lie transforms. The equations of motion are then made dimensionless, exploiting temporal and spatial periodicities of the model chosen for the electrostatic potential. They are implemented numerically in Python. Fast Fourier Transform and its inverse are used. Improvements to the original Python scripts are made, notably the introduction of a power-law curve fitting to account for anomalous diffusion, the possibility to integrate the equations in two steps to save computational time by removing trapped trajectories, and the implementation of multicolored stroboscopic plots to distinguish between trapped and untrapped guiding centers. The post-processing of the results is made in MATLAB. The values and ranges of the parameters chosen for the simulations are selected based on numerous simulations used as feedback tools. In particular, a recurring value for the threshold to detect trapped trajectories is evidenced. Effects of the Larmor radius, the amplitude of the guiding center potential and the intensity of its second order term are studied by analyzing their diffusive regimes, their stroboscopic plots and the shape of guiding center potentials. The main result is the identification of cases anomalous diffusion depending on the values of the parameters (mostly the Larmor radius). The transitions between diffusive regimes are identified. The presence of highways for the super-diffusive trajectories are unveiled. The influence of the charge on these transitions from diffusive to ballistic behaviors is analyzed
Réductions fluides hamiltoniennes des équations cinétiques en physique des plasmas
No full textLa réduction fluide des équations cinétiques est un procédé couramment utilisé en physique des plasmas qui a pour objectif de remplacer la fonction de distribution définie dans l'espace des phases par des grandeurs fluides comme la densité et la pression. Cette réduction diminue la complexité du système initial. En contrepartie, la réduction fluide s'accompagne de la nécessité d'effectuer une fermeture sur les moments d'ordre supérieur. Celle-ci est souvent construite ad hoc en se basant sur des arguments physiques (e.g., quantités conservées, existance d'un théorème H, ...). Dans ce manuscrit, on propose un procédé de réduction qui permet de préserver la structure hamiltonienne du modèle cinétique parent. Ceci est important pour assurer qu'aucune dissipation d'origine non physique est introduite dans le modèle fluide, le munissant ainsi d'une structure hamiltonienne dont l'origine peut être suivie jusqu'à celle de la dynamique microscopique des particules. On utilise cette méthode pour construire des modèles fluides non-adiabatiques pour les trois premiers moments de la fonction de distribution associée à l'équation de Vlasov-Poisson à une dimension, i.e., la densité, la vitesse fluide et la pression. Les résultats sont ensuite étendus pour inclure la dynamique du flux de chaleur en considérant des fermetures construites à partir de l'analyse dimensionnelle. On montre également, pour un nombre arbitraire de champs, la relation existant avec le modèle water-bags. L'extension à des dimensions supérieures est étudiée dans le cadre de l'équation drift-cinétique ainsi que de l'équation de Vlasov-Poisson à trois dimensions.Fluid reduction of kinetic equations is a ubiquitous procedure in plasma physics which aims to replace the distribution function defined in phase space with more concrete fluid quantities defined solely in configuration space such as the density, the fluid velocity and the pressure. This reduction lowers the complexity of the initial system, leading to a gain of physical insight into the phenomena under investigation as well as a significant decrease of the cost of numerical simulations. On the other hand, in order for the fluid reduction to be complete, one needs to perform a closure on the higher order fluid moments. The choice of the closure usually relies on some ad hoc physical arguments (e.g., conserved quantities, existence of an H-theorem, ...). In this manuscript, we present a reduction procedure that preserves the Hamiltonian structure of the parent kinetic model. This is important in order to ensure that no non-physical dissipation is introduced in the resulting fluid model, providing it with a geometric structure that can be traced back to the microscopic dynamics of the particles. We use this procedure to derive non-adiabatic fluid models for the first three fluid moments of the distribution function of the one dimensional Vlasov-Poisson equation, namely the density, the fluid velocity and the pressure. The results are extended to include the dynamics of the heat-flux by considering a closure based on dimensional analysis. For an arbitrary number of fields, we demonstrate the relationship with the water-bags model. Finally, the extension to higher dimensions is investigated through the drift-kinetic equation and the three dimensional Vlasov-Poisson equation
Réduction du chaos hamiltonien
No full textUne goutte de colorant que l'on agite dans un verre d'eau illustre la diffusion chaotique des particules dans tout le volume disponible. Ce phénomène est aussi observé dans les accélérateurs de particules ou dans les plasmas de tokamak. Cependant il est possible de contrôler ce chaos en construisant des barrières de transport qui agissent comme des murs immatériels empêchant ou canalisant la diffusion des particules. Ce contrôle est réalisé par une action extérieure associée à un faible coût énergétique
Casimir invariants and the Jacobi identity in Dirac's theory of constrained Hamiltonian systems
No full textInternational audienceWe consider constrained Hamiltonian systems in the framework of Dirac's theory. We show that the Jacobi identity results from imposing that the constraints are Casimir invariants, regardless of the fact that the matrix of Poisson brackets between constraints is invertible or not. We point out that the proof we provide ensures the validity of the Jacobi identity everywhere in phase space, and not just on the surface defined by the constraints. Two examples are considered: A finite dimensional system with an odd number of constraints, and the Vlasov-Poisson reduction from Vlasov-Maxwell equations
Out of equilibrium phase transitions in mean-field Hamiltonian dynamics
No full textThis book aims to provide the readers with a wide panorama of different aspects related to Chaos, Complexity and Transport. It consists of a collection of contributions ranging from applied mathematics to experiments, presented during the CCT'07 conference (Marseilles, June 4�8, 2007). The book encompasses different traditional fields of physics and mathematics while trying to keep a common language among the fields, and targets a nonspecialized audience
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