Implémentation d’un modèle quasi-statique dans le code PIC CALDER

Contexte :

L’accélération faisceau-plasma est l’une des techniques envisagées pour générer des faisceaux de particules très énergétiques et venir concurrencer à long terme les grands accélérateurs conventionnels. Son principal avantage repose sur les grands champs accélérateurs qu’elle permet de générer – de typiquement 2 ordres de grandeur supérieurs aux accélérateurs conventionnels – ce qui permet de réduire d’autant la taille des accélérateurs. L’accélération faisceau-plasma se produit lorsqu’un premier faisceau de particules déjà accéléré est focalisé et se propage dans un plasma peu dense issu d’un gaz ionisé. Les champs propres de ce faisceau mettent en mouvement les électrons du plasma, ce qui génère une onde plasma dans le sillage du faisceau, cette onde de sillage étant caractérisée par des champs électriques accélérateurs de très grandes amplitudes. L’injection d’un second faisceau d’électrons ou de positrons dans cette onde de sillage permet d’accélérer très fortement ce dernier. De nombreuses interrogations théoriques et expérimentales nous imposent de recourir à des simulations pour mieux comprendre et optimiser ces accélérateurs. La dynamique des deux faisceaux et du plasma ne peut être simulé qu’à l’aide d’un code « Particle-In-Cell » (PIC), qui modélise le couplage entre les champs électromagnétiques et les particules chargées qui sont décrites de manière cinétique.

Objectif de la thèse :

Bien que le code PIC CALDER soit efficacement parallélisé et tourne sur plusieurs milliers de coeurs de manière routinière, les simulations PIC d’accélération faisceau-plasma, surtout lorsqu’elles sont 3D, nécessitent toujours des calculs très longs. Afin d’accélérer considérablement le calcul, l’objet d la thèse sera de développer et d’implémenter un modèle quasi-statique dans le code PIC CALDER. L’hypothèse quasi-statique repose sur la capacité à découpler les évolutions rapides de l’onde plasma, et lentes des faisceaux de particules relativistes. Après la compréhension des implications et limitations physiques et mathématiques de cette hypothèse, le(a) doctorant(e) devra implémenter le modèle quasi-statique dans la version 2D de CALDER, puis le valider et tester les limites de ce modèle. Ce travail sera étendu à la géométrie 3D et il(elle) pourra travailler sur l’optimisation du parallélisme du code lorsque le modèle quasi-statique est utilisé.

Déroulement de la thèse :

Cette thèse se déroulera en deux temps. D’abord l’étudiant(e) devra implémenter le modèle quasi-statique et tester ses limites. Ensuite, il(elle) pourra l’utiliser pour étudier des cas physiques.

DIRECTEUR DE THESE

Luc BERGE
luc.berge@cea.fr

ECOLE DOCTORALE

ED 572
Ondes et Matière – EDOM
Rue André Rivière
Bâtiment 520
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91405 Orsay

ENCADRANT

Xavier DAVOINE
xavier.davoine@cea.fr

CENTRE

DAM – Île-de-France
Bruyères-le-Châtel
91297 Arpajon
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