Sujet :
Modélisation numérique de l’interaction d’un faisceau d’électrons généré par une diode avec un gaz et analyse des phénomènes physiques associés
Contexte :
Les faisceaux d’électrons délivrés par les générateurs CESAR et RKA du CEA/CESTA permettent d’étudier des matériaux soumis à des dépôts brefs et intenses d’énergie. Une analyse quantitative des résultats expérimentaux requiert de caractériser précisément les électrons quand ils impactent le matériau considéré. Certaines propriétés électroniques sont accessibles aux diagnostics expérimentaux, mais d’autres le sont beaucoup moins, ce qui nécessite de recourir à la simulation numérique. Toutefois, les calculs et simulations actuels ne permettent pas de prédire correctement le transport du faisceau depuis sa production dans une diode sous vide jusqu’à la cible placée dans du gaz à pression donnée. En effet, lors de sa propagation dans le gaz, le faisceau ionise partiellement celui-ci, créant un plasma dont les caractéristiques (densité, conductivité …) peuvent grandement influer sur le transport du faisceau jusqu’à la cible, via son interaction avec le courant de retour et le développement de diverses instabilités.
Sous vide, les codes Particle-In-Cell (PIC) commerciaux classiques sont prédictifs mais, en présence d’un gaz, dans les conditions correspondant à nos applications, la physique du transport devient complexe et n’est pas correctement traitée par ces outils, notamment parce qu’un trop grand nombre de particules (électrons primaires et espèces secondaires dues à l’ionisation du gaz) doit être géré. En revanche, le code PIC CALDER, développé à la DAM, est adapté aux super-calculateurs actuels, et constitue un outil irremplaçable pour l’étude des divers phénomènes intervenant dans la propagation du faisceau dans le gaz : ionisation du gaz et modélisation de l’interaction entre le faisceau et le plasma créé.
Objectif :
Le but de ce post-doctorat est de simuler avec CALDER les expériences qui seront réalisées sur CESAR et RKA. Seules des simulations 2D incomplètes ont été réalisées jusqu’à maintenant, mais elles ont l’avantage de mettre en jeu une physique réaliste avec un coût calcul raisonnable. La prise en main et l’utilisation de ce code constitueront donc une première partie du post-doctorat. Le(a) candidat(e) étudiera et simulera d’abord des cas physiques simples, théoriquement connus, puis des problèmes de transport plus complexes seront traités comme, par exemple, ceux associés à la présence d’un champ magnétique externe.
Ensuite, une modification de certains algorithmes pourra être nécessaire pour décrire l’évolution du faisceau sur des temps longs correspondant à la durée expérimentale de l’interaction. Une amélioration des conditions aux limites appliquées aux particules du plasma devra en particulier être réalisée, afin de mieux décrire les effets de bords spécifiques à ce type d’expérience. Les expériences satisfaisant à une géométrie 2D axisymétrique, le passage à cette géométrie permettra d’améliorer la compréhension des phénomènes physiques en jeu.
La dernière partie du travail envisagé portera sur l’interprétation des résultats numériques. L’objectif sera ici d’identifier les mécanismes physiques prépondérants, et de parvenir à les modéliser d’une façon simplifiée mais réaliste pour faire le lien avec les données expérimentales accessibles.
Signalons enfin que ces travaux s’intégreront dans une collaboration scientifique déjà existante sur ce sujet avec le Sandia National Laboratories (SNL) et seront ouverts à la publication.
Contacts :
DAVOINE Xavier
CEA/DAM Ile-de-France – Bruyères-le-Châtel, 91297 Arpajon
Tél. : 01.69.26.40.00. – xavier.davoine@cea.fr
GREMILLET Laurent
CEA/DAM Ile-de-France – Bruyères-le-Châtel, 91297 Arpajon
Tél. : 01.69.26.40.00. – laurent.gremillet@cea.fr