Contexte :

La Direction des Applications Militaires du CEA utilise la radiographie éclair pour caractériser l’état de la matière soumise à des chocs forts ou à une densification importante sous l’effet d’explosifs. Le succès des expérimentations nécessite des sources X impulsionnelles fiables ayant des propriétés très spécifiques : de faibles dimensions (quelques mm), intenses (plusieurs rads à 1m dans l’air) et pénétrantes (quelques MeV). De telles sources sont produites à partir du rayonnement de freinage créé par une impulsion d’électrons de haute énergie dans un matériau cible. Deux filières technologiques se distinguent pour produire le rayonnement X adéquat pour les applications de radiographie éclair : la filière accélérateur à induction pour les énergies supérieures à 10 MeV et la filière « générateur + diode » pour les énergies en dessous de 10 MeV.
Dans la filière « générateur+diode », la diode est l’élément principal conditionnant les propriétés de la source en convertissant l’impulsion électrique de haute puissance pulsée en une impulsion de rayonnement X. Pour cela, un faisceau d’électrons de plusieurs kA est produit par un écoulement de charges, généré par l’impulsion électrique, entre la cathode et l’anode. Le principe consiste à focaliser le faisceau d’électrons sur la zone la plus réduite possible tout en maintenant une tension d’accélération élevée pendant la durée de l’impulsion. Les énergies et les intensités des faisceaux d’électrons sont telles que les forces auto-induites (force de charge d’espace et force magnétique focalisante) jouent un rôle important sur la dynamique des faisceaux rendant l’utilisation de la simulation numérique indispensable pour une compréhension fine des phénomènes.

Objectif de la thèse :

Ce sujet de thèse consiste à étudier et à concevoir par simulation numérique de nouvelles sources X de radiographie éclair afin d’améliorer les performances actuelles. Le premier objectif vise une diminution d’un facteur deux de la dimension spatiale de la source X permettant une amélioration significative de la résolution de la chaîne radiographique. De plus, une augmentation de la dose dans le but de réduire les incertitudes de la mesure radiographique représente le second objectif de ce travail de thèse. Enfin, la validation des outils numériques développés sera faite par la caractérisation expérimentale des performances des diodes conçues lors de la thèse auprès des générateurs de haute puissance pulsée dont dispose le CEA Gramat.

Déroulement de la thèse :

Dans un premier temps, l’étudiant se familiarisera avec la physique des faisceaux intenses d’électrons, leur interaction avec la matière ainsi qu’à la physique des hautes puissances pulsées. Ensuite, l’étudiant mettra à profit notre outil de simulation numérique de dynamique de faisceau (code Particle-In-Cell Large Scale Plasma 3D) pour concevoir de nouvelles diodes de radiographie éclair. Le travail demandé consistera à dimensionner et à améliorer la chaîne de simulation des machines de radiographie en prenant en compte les effets de détente des plasmas au sein de la diode. L’étudiant devra s’approprier théoriquement les modèles plasma et les implémenter dans les simulations. La prise en compte de ce phénomène permettra de prédire avec une meilleure précision les caractéristiques des nouvelles sources X en utilisant un code de type Monte Carlo. Afin d’atteindre les performances fixées, les candidates idéales seraient les diodes à électrons de type Rod Pinch, permettant une réduction importante de la tache focale, et de type « Bz ». Dans cette dernière, un champ magnétique pulsé de plusieurs Tesla participe au confinement du faisceau d’électrons durant son transport entre la cathode et l’anode. De plus, les dimensions de la diode « Bz » réduisent l’impact de la détente plasma sur le fonctionnement de la diode et constitue une alternative intéressante. Sur la base de ce travail de simulation, les performances des diodes (dose, tache focale, spectre photonique) seront ensuite évaluées expérimentalement auprès des moyens de radiographie éclair du CEA puis confrontées aux résultats issus de la chaîne de simulation.

Directeur de thèse et école doctorale :

Patrick ROUSSEAU – ED 591 – Université de Caen Normandie – PSIME – Laboratoire CIMAP (UMR 6252)

Contact :

Rémi MAISONNY & Rudy DELAUNAY – CEA/Gramat – BP 80200 – 46500 Gramat – 05 65 10 54 32