28 Janvier – Soutenance de thèse - Emilian-Dragos Tatomirescu

11 h Salle F206 - Université de Timisoara (Roumanie)

Accélération laser-plasma à ultra haute intensité - modélisation numérique.

En raison de la forte augmentation de l'intensité laser maximum pouvant être atteinte grâce à des impulsions courtes de forte puissance (gamme femtoseconde), de nouvelles sources de particules et de rayonnement obtenues par interaction laser-plasma ont été développées, avec des applications en radiographie protonique, allumage rapide pour la fusion par confinement inertiel, hadronthérapie , pour la production de radio-isotopes et l'astrophysique de laboratoire. En raison de ces avancées technologiques, de nombreuses nouvelles installations laser ont été créées, ce qui a permis la popularisation de l'accélération des particules par l'interaction laser-plasma comme un champ de recherche. Ces dernières années, les progrès réalisés sur le terrain ont été très rapides, ce qui montre que la compréhension de la physique qui sous-tend l’interaction d’une impulsion laser de haute intensité avec le plasma a été grandement améliorée.
Les problèmes que l’on cherche à résoudre dans ce domaine de recherche nécessitent l’utilisation de plasmas. Dans ce type d’environnement, on peut affirmer que les processus dominants sont de nature cinétique et collective, avec une abondance de phénomènes non linéaires. Cela rend très difficile l'utilisation de modèles analytiques ou de fluides. C'est pourquoi les codes Particle-In-Cell ont joué un rôle crucial dans la modélisation de tels paramètres et l'optimisation du travail expérimental.
Les codes Particle-In-Cell utilisés pour la modélisation numérique de l'interaction laser-plasma résolvent les champs électromagnétiques à l'aide des équations de Maxwell couplées aux équations de Vlasov. La méthode utilise des macroparticules (un groupe de particules réelles pouvant être décrites comme une partie réduite de l’espace de phase) pour résoudre les équations de Vlasov par la méthode des caractéristiques pour chaque espèce de particule présente dans le cas étudié, en conservant la charge et la masse de l’espèce considérée.
Le facteur clé dans le développement de toutes les applications basées sur l'interaction laser-plasma mentionnées précédemment est le besoin de faisceaux d'ions collimatés qui présentent une dispersion en énergie ajustable. Les nouvelles installations laser disponibles, telles que le laser BELLA, ou en construction, telles que les installations ELI-NP, permettent de surmonter le problème du taux de répétition élevé.

La thèse contient une courte introduction suivie de 6 chapitres décrits dans la suite :
Le Chapitre 1, intitulé "Mécanismes d'accélération laser plasma", est consacré à la description des processus physiques qui se produisent lors de l'interaction d'un champ électromagnétique puissant avec un plasma chargé. Nous parlons des principaux mécanismes d'accélération tels que rapportés dans la littérature spécialisée. Leur occurrence dépend de la zone de la cible considérée, et respectivement des paramètres de la cible et de l’impulsion laser (c'est-à-dire la densité, l'intensité, la forme). Ce chapitre est structuré en trois sous-chapitres. Dans les deux premiers, nous traitons des schémas d'accélération les plus courants, tandis que dans le troisième, nous discutons des mécanismes moins courants ou qui nécessitent des paramètres spéciaux. Dans le premier sous-chapitre, nous décrivons l'accélération dans la gaine normale à la cible et ses composantes électroniques et ioniques. Le deuxième sous-chapitre traite des caractéristiques de l'accélération par la pression du rayonnement. Le dernier sous-chapitre présente de brèves descriptions des schémas d’accélération associés et des mécanismes qui sont des cas particuliers de ceux présentés dans les deux premiers sous-chapitres.

Le Chapitre 2, intitulé "Introduction de base aux méthodes particulaires pour la modélisation numérique de l'interaction laser-plasma", présente les bases de l’utilisation de la méthode Particle-In-Cell dans la modélisation numérique de l’interaction laser-plasma. La première partie commence par deux sous-chapitres qui différencient et décrivent les classes de systèmes en interaction avec le plasma. Le chapitre se poursuit ensuite avec une description de l’approche particule-particule et les raisons pour lesquelles elle n’est pas adaptée au type de phénomène étudié dans ce travail. Dans le troisième sous-chapitre, nous commençons par décrire la méthode Particle-In-Cell, son cycle d'itération de base, comment se fait l'intégration des équations impliquées dans cette méthode, et les interpolations requises par cette approche. Le chapitre se termine par quelquesc onsidérations pratiques à prendre en compte lors de l'exécution de simulations Particle-In-Cell.

Le Chapitre 3, intitulé "Accélération des ions laser à partir de cibles solides micro-structurées", est structuré en trois sous-chapitres et traite de la première des études réalisées au cours des trois dernières années. Nous commençons par une description des paramètres de simulation. L'étude s'est concentrée sur les particularités de plusieurs types de profils de densité avec un micro-disque riche en protons: cible plate, courbée et cône à pointe concave. Nous étudions les avantages et les inconvénients de chacune de ces cibles (courbure, micro-disque et structure du cône) et déterminons si une cible composite présentant les trois attributs a le potentiel de produire des faisceaux de protons et d’ions de meilleure qualité. En comparant les cas de cibles plates par rapport à des cibles courbes, nous avons l’intention de déterminer quel effet a l'ajout d'une légère courbure à la cible, en particulier en ce qui concerne la collimation du faisceau. Dans ce chapitre, nous souhaitons également déterminer les effets d’une structure de focalisation d’impulsions sur le champ électrique des impulsions laser. Pour ce faire, nous avons ajouté à notre simulation une structure conique devant la cible principale pour en étudier les effets. Le deuxième sous-chapitre traite des résultats de nos simulations et de leur interprétation, tandis que dans la dernière partie, nous tirons les conclusions concernant cette étude.

Le Chapitre 4, intitulé "Influence de la courbure de la cible sur les caractéristiques du faisceau de particules résultant de l'accélération des ions par laser avec des cibles renforcées microstructurées à très haute intensité", poursuit les études réalisées dans le chapitre 3 sur les cibles structurées. Le premier sous-chapitre présente les paramètres de simulation destinés à déterminer l’efficacité de la manipulation de la courbure de la cible pour déterminer la collimation du faisceau et les énergies ioniques maximales. Le chapitre continue avec la présentation des résultats obtenus et leur interprétation, aboutissant aux conclusions tirées de cette étude.

Le travail présenté au Chapitre 5, intitulé "Accélération des ions laser et génération de rayonnement de haute énergie à partir de jets de gaz quasi critiques", porte sur les effets résultant de la manipulation de la densité d'une cible gazeuse en Xenon lors de l'interaction avec une  impulsion laser ultra-courte et à haute intensité afin de préparer les premières expériences à ultra haute intensité sur des installations telles que BELLA, CETAL, APOLLON et les lasers haute puissance ELI. Avec une structure semblable à la structure du dernier chapitre, il commence par présenter les paramètres de l’étude. Nous voulons vérifier si les caractéristiques du spectre en énergie des ions peuvent être contrôlées en modifiant la densité crête du jet de gaz lors de l’utilisation d’impulsions laser de très haute intensité, en corrélation avec les résultats des impulsions de plus faible intensité rapportés dans la littérature. Dans cette étude, l'impulsion interagit, à incidence normale, avec la cible composée d'ions xénon et d'électrons de densité maximale de plus en plus élevée. La cible de gaz a un profil de densité en cos^2 avec une largeur à mi-hauteur de 50 microns dans la direction x et uniforme dans la direction y. Les deux derniers sous-chapitres sont consacrés à l'interprétation des résultats obtenus grâce à la modélisation numérique et aux conclusions de l'étude.

Le dernier chapitre de ce travail, le Chapitre 6, contient les conclusions finales tirées des études présentées dans la thèse.
La thèse se termine par trois sections: Références, Remerciements et Annexes. La section Références contient les articles, ouvrages et sources diverses permettant de compléter les études réalisées tout au long de ce travail. Les financements qui m'ont permis d'accomplir mes études sont présentés dans la section Remerciements. La dernière section, Annexes, répertorie certaines des contributions qui ont été ajoutées au code Particle-In-Cell PICLS utilisé pendant la thèse.

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