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Développement d’un nouveau modèle d’interaction électrons-­‐ondes pour les tubes à onde progressive

par Elodie PICO - publié le

Directeur de thèse:Yves Elskens
Coordonnées : yves.elskens@univ-­‐amu.fr
+33-­‐ 491 288 230 Service 362, campus Saint-­‐Jérôme, av. esc. Normandie-­‐Niemen, ­‐13397 Marseille

Co-­‐encadrant : Frédéric André (Thales Electron Devices, Vélizy)
frederic.andre thalesgroup.com
+33-­‐1 30 70 24 80

Description du sujet :

L’interaction ondes-particules est un processus fondamental en physique des plasmas chauds et naturels, des accélérateurs et des faisceaux ; elle est notamment à la base du fonctionnement des amplificateurs de rayonnement comme les lasers à électrons libres, les gyrotrons, les tubes à onde progressive... Les puissances en jeu dans ces dispositifs et leur large spectre de fréquences conduisent à des instabilités de plus en plus critiques et difficiles à simuler aujourd’hui. Une description microscopique permet de mieux comprendre les mécanismes du couplage entre N particules (xl, pl) et M ondes (de phases qj et intensités Ij) à l’aide d’un hamiltonien dit autocohérent. Pour N→∞, la dynamique de ce système converge vers celle décrite par les équations cinétiques vlasoviennes.
La simulation numérique passe actuellement par deux types de modèles. Les modèles Particlein- Cell (PIC) reposent sur une simplification minimale des équations de la physique mais aboutissent à des temps de calculs gigantesques, car le nombre de degrés de liberté est très élevé. Les modèles spécialisés, au contraire, ne permettent de simuler que des régimes particuliers mais avec des temps de calcul incomparablement plus courts. Le modèle d’enveloppe, très utilisé, est un modèle fréquentiel dans lequel l’onde amplifiée est représentée par l’onde à froid (propagation sans faisceau) multipliée par une fonction d’enveloppe variable en fonction de la position dans la direction de propagation.
Cette approche fréquentielle est inadaptée à l’étude des régimes non-linéaires, comme la saturation des instabilités.
La thèse portera sur le développement de modèles simples non-linéaires et leur exploitation numérique en vue d’applications notamment aux tubes à onde progressive de Thales Electron Devices (Vélizy) et du laboratoire (Marseille).

Références bibliographiques :
- F. André, P. Bernardi, N.M. Ryskin, F. Doveil & Y. Elskens, Hamiltonian description of selfconsistent wave-particle dynamics in a periodic structure, Europhysics Letters 103 (2013) 28004.
- Thèses à Marseille : A. Macor (2007), A. Aïssi (2008, https://tel.archives-ouvertes.fr : tel-00406576), P. Bernardi (2011 : tel-00708349).
- Y. Elskens & D. Escande, Microscopic dynamics of plasmas and chaos (IoP Publishing, Bristol, 2003).

Financement:CNES et Thales