Post-Doc CEA Bordeaux : Etude de l’interaction d’un faisceau d’électrons dans un gaz avec le code CALDER et analyse des phénomènes physiques associés.

Contexte :

Le faisceau d’électrons délivré par le générateur CESAR du CESTA permet d’étudier des matériaux soumis à des dépôts brefs et intenses d’énergie. Afin d’analyser correctement les résultats de ces expériences, il faut connaitre le plus précisément possible les caractéristiques des électrons quand ils impactent le matériau considéré. Plusieurs diagnostics permettent de connaitre ceux-ci mais 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 celui-ci. Or, certaines caractéristiques du plasma créé par l’interaction du faisceau d’électrons avec le gaz (taux d’ionisation, conductivité …) ont un effet de premier ordre sur le transport de ce faisceau jusqu’à la cible (courant de retour, 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 doit être géré (électrons primaires et espèces secondaires dues à l’ionisation du gaz). En revanche, le code PIC CALDER, développé à la DAM, est adapté aux supercalculteurs actuels et représente un outil irremplaçable pour l’étude des divers phénomènes intervenant dans la propagation du faisceau dans le gaz.

Ainsi, dans le cadre de ces études, les travaux sont menés à la fois :

  • sur le plan expérimental, avec des expériences dédiées sur CESAR ;
  • sur le plan de la simulation numérique PIC, avec le code CALDER ;
  • sur le plan de la modélisation physique, avec des outils dédiés, pour analyser les résultats expérimentaux et numériques, et en identifier les mécanismes principaux.

Parallèlement, un programme de collaboration « basic science » a été engagé sur ce thème avec Sandia National Laboratories (SNL), qui vise à échanger des résultats expérimentaux mais aussi d’effectuer des simulations numériques.

Sujet du stage post-doctoral :

Le code CALDER est pour l’instant écrit en géométrie 2D-plan ou 3D, mais pas en géométrie axisymétrique, qui correspondrait aux expériences CESAR. Néanmoins, les simulations 2D plan mettent en jeu une physique réaliste avec un coût calcul raisonnable. La prise en main et l’utilisation de ce code constituera donc une première partie de ce stage post-doctoral. Avec l’aide des experts du CESTA et de la DIF, le stagiaire étudiera et simulera d’abord des cas physiques simples, théoriquement connus. Ensuite, les effets plus complexes seront traités comme, par exemple, ceux associés à la présence d’un champ magnétique externe.

La deuxième part importante de ce stage post-doctoral sera d’interpréter les résultats de ces simulations. L’objectif sera ici d’identifier les mécanismes 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 les échanges avec le SNL et seront ouverts à la publication.

Jacques.gardelle(at)cea.fr

Pierre.grua(at)cea.fr

David.hebert(at)cea.fr

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