Le CEA DAM Île-de-France FORME

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Type de contrat doctorat

Modélisation de la physique atomique et du transport radiatif dans un code « particle-in-cell »

Contexte :

La physique des hautes densités d’énergie (au-delà de 0,1 MJ/cm3, soit des pressions excédant le Mbar) vise à comprendre les conditions exotiques de la matière rencontrées au coeur des planètes et des étoiles mais aussi en laboratoire, notamment dans le domaine de la fusion par confinement inertiel. La validation expérimentale des modèles théoriques décrivant les propriétés atomiques ou radiatives de tels systèmes implique la création d’échantillons dans des conditions très contrôlées de densité et de température. Les impulsions laser ultra-courtes (< 1 ps) et ultra-intenses (> 1018 W/cm2) constituent des outils de choix à cette fin : focalisées sur une cible solide, elles y engendrent un fort courant d’électrons relativistes pouvant chauffer en profondeur le plasma (à des températures proches du keV) avant son expansion hydrodynamique. L’interprétation des mesures spectroscopiques issues de telles expériences de chauffage « isochore » fait appel à des simulations numériques de type « particle-in-cell » (PIC), qui décrivent de façon ab initio l’interaction laser-plasma et les phénomènes de transport afférents.
Dans le cadre d’études antérieures, le code CALDER a été enrichi de modules Monte Carlo décrivant les collisions Coulombiennes, l’ionisation par impact et par champ laser, ainsi que l’émission de photons par Bremsstrahlung. Ces modules sont toutefois incomplets ou par trop simplifiés pour une reproduction précise de certaines observables expérimentales.

Objectif de la thèse :

A la confluence des activités de notre laboratoire sur la simulation PIC de l’interaction laser-plasma et la physique atomique des plasmas denses, le sujet de thèse proposé vise à introduire un modèle de physique atomique collisionnel et radiatif dans le code PIC CALDER développé de longue date au CEA/DAM, puis à l’exploiter pour l’analyse d’expériences de chauffage isochore réalisées parallèlement.

Déroulement de la thèse :

Dans un premier temps, et sur un plan essentiellement numérique, le travail envisagé consistera à :

  • améliorer les modules collisionnels existants, par la prise en compte de la recombinaison collisionnelle, de la relaxation (radiative ou par émission électronique) des états excités et la réduction des potentiels d’ionisation par les micro-champs plasma ;
  • implémenter un modèle Monte Carlo de transport radiatif, combinant photo-ionisation des sous-couches atomiques, opacités lié-lié et libre-libre, et émissivités totales (lié-lié, libre-libre et lié-libre).

Les algorithmes implémentés utiliseront, sous une forme condensée pour en limiter le coût numérique, les modèles de physique atomique mis au point dans notre laboratoire.
Dans un second temps, des simulations seront réalisées afin de quantifier l’influence des processus atomiques et radiatifs dans diverses conditions d’interaction laser-solide, déterminées par l’éclairement et la durée du laser, et la nature des cibles irradiées. Un effort particulier sera porté sur l’interprétation de données expérimentales obtenues par des collaborateurs du CEA/DAM.
Le travail de thèse sera effectué sur le centre DAM Ile de France. Le candidat devra avoir suivi une formation en physique (une spécialisation en physique des plasmas serait appréciée) ainsi qu’en programmation/calcul scientifique. Les simulations numériques seront réalisées sur les supercalculateurs du TGCC/CCRT.

Directeur de thèse et école doctorale :

Christophe BLANCARD – ED Ondes et Matière (OM) – ED 572 – Université Paris-Saclay

Contact :

Laurent GREMILLET & Christophe BLANCARD – CEA/DIF – Bruyères-le-Châtel – 91297 Arpajon – 01 69 26 40 00

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