Thèse soutenue

Modélisation de la physique atomique et du transport radiatif dans un code particle-in-cell
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Auteur / Autrice : David Tordeux
Direction : Christophe BlancardLaurent Yvan André Gremillet
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique
Date : Soutenance le 25/03/2022
Etablissement(s) : université Paris-Saclay
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Matière sous conditions extrêmes (Bruyères-le-Châtel, Essonne ; 2021-....)
référent : Faculté des sciences d'Orsay
graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
Jury : Président / Présidente : Frank Rosmej
Examinateurs / Examinatrices : Rachel Nuter, Emmanuel d' Humières, Marta Fajardo, Frédéric Pérez
Rapporteurs / Rapporteuses : Rachel Nuter, Emmanuel d' Humières

Résumé

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La matière à haute densité d'énergie est au coeur de nombreux systèmes physiques tels que les plasmas stellaires ou les plasmas de fusion, par exemple. Le meilleur moyen de recréer ces conditions extrêmes en laboratoire est l'utilisation de lasers d'ultra-haute intensité (10¹⁷⁻²³ W/cm²) présentant des impulsions ultracourtes (~ dizaine de femtosecondes). L'étude de la physique riche et complexe qui découle de ces systèmes d'interaction nécessite de faire appel à la simulation numérique. Les codes de type particle-in-cell (PIC) sont des outils particulièrement adaptés à ces échelles spatiale (~ nm) et temporelle (~ fs). Cependant, ils ne permettent pas, dans leur formulation originelle, de prendre en compte les interactions inter-particules, les amenant donc à négliger les processus de physique atomique ou le transport radiatif. Ce constat a mené à leur couplage avec des algorithmes de type Monte Carlo (MC), souvent basés sur l'estimation de la section efficace du processus considéré. Bien que cet apport ait permis d'intégrer un certain nombre de processus dans les principaux codes PIC, ces derniers présentent une description souvent partielle de la physique atomique, en particulier pour les plasmas à forte densité (ni > 10²² cm⁻³) et de température modérée (Te < 1 keV). Pour pallier ce défaut, nous proposons un modèle PIC-MC de physique atomique et radiative comprenant : (i) l'abaissement des potentiels d'ionisation dû aux effets de densité ; (ii) l'ionisation collisionnelle résolue sur la structure atomique fine ; (iii) la recombinaison à trois corps ; (iv) la désexcitation atomique par cascade basée sur des tables d'émission (radiative et Auger) instantanée ; (v) la photoionisation ; (vi) la recombinaison radiative ; (vii) la diffusion Compton. L'effet de ces processus sera illustré dans le code CALDER, développé au CEA/DAM, dans des contextes de plasmas hors-équilibre en cours de thermalisation ou encore dans l'interaction de cibles solides d'Aluminium avec des lasers d'ultra-haute intensité ou des faisceaux photoniques X tels que ceux issus des lasers à électrons libres.