21/Th/PATP/SF/1

Offre de thèse 2021-2024 – équipe PATP (SF) – modélisation

Etudes des plasmas hautement magnétisés par la dynamique moléculaire classique

La modélisation des propriétés radiatives des plasmas est un domaine de recherche en constante évolution. La présence de champs magnétiques puissants, dans les plasmas astrophysiques (Soleil, naines blanches) et dans les plasmas de laboratoire, apporte de nouveaux défis à ce sujet. Les champs magnétiques forts sont générés dans les expériences de fusion par confinement magnétique (FCM) ou dans les machines de type Z-pinch. Dans le contexte de la fusion par confinement magnétique (ICF), la magnétisation du plasma est un moyen prometteur pour obtenir l’allumage. Différents schémas expérimentaux sont développés dans la communauté ICF, tels que la méthode MagLIF (fusion inertielle par revêtement magnétisé), qui consiste à générer de forts champs magnétiques en préchauffant le plasma créé dans la machine Z-pinch. Lors de l’implosion de cibles magnétisées, des faisceaux laser intenses sont utilisés pour irradier une cible soumise à un champ magnétique statique d’environ cent teslas. L’implosion de la cible comprime également le champ magnétique (qui s’élève alors à plusieurs kilo-teslas) au niveau du traceur. L’analyse des rayons X produits lors de ces expériences permet de caractériser le plasma [Santos2018]. Ces développements nécessitent le développement de modèles cinétiques, hydrodynamiques, de physique atomique et de forme de ligne couplés à la modélisation du transport des rayonnements pour la synthèse des spectres dans les plasmas à haute densité d’énergie (HED).

Dans ce contexte, nous développons des modèles et des simulations numériques dédiés à l’étude des propriétés radiatives de ces plasmas extrêmes. Nous sommes partenaires d’un consortium français et international pour le développement de nouvelles plateformes expérimentales et de simulation pour l’étude des propriétés fondamentales et des mécanismes de transport des plasmas magnétisés à haute densité énergétique (HED). Cette recherche implique de multiples collaborations avec des équipes expérimentales et théoriques spécialisées dans la spectroscopie des plasmas, la physique atomique et le transport des radiations. La présence de champs B puissants peut avoir différents effets sur les propriétés radiatives des plasmas et soutient l’intérêt pour les développements de la physique atomique dans ces conditions extrêmes : (i) En raison du moment magnétique atomique, les champs B externes interagissent avec les émetteurs de plasma, ce qui entraîne une division des niveaux d’énergie atomique et, par conséquent, une division et une polarisation des raies spectrales (effet Zeeman). (ii) En raison de la flexion des particules chargées dans des trajectoires hélicoïdales autour des lignes de force B, introduisant une résonance à la fréquence du cyclotron, cela affecte la structure du plasma et les propriétés statistiques dynamiques, telles que les fonctions de distribution des microchamps à haute et basse fréquence ou les propriétés diélectriques. Dans les plasmas denses, l’effet Stark, produit par l’interaction du dipôle électrique de l’émetteur avec les microchamps électriques électroniques et ioniques, créés localement par les charges du plasma, peut régir la forme des lignes. C’est une contribution difficile à calculer à l’élargissement de la ligne car la perturbation électrique stochastique doit être modélisée sur différentes échelles de temps, en fonction de la réponse des émetteurs aux perturbations électroniques et ioniques. En présence de champs B, les calculs des effets Stark et Zeeman combinés atteignent un niveau de complexité plus élevé. Différents modèles de formes de lignes ont été développés ou des plasmas magnétisés étendus. La plupart d’entre eux sont basés sur des hypothèses simplificatrices en fonction de l’importance relative des effets Stark et Zeeman. Comme par exemple, notre code de forme de ligne Stark-Zeeman, PPPB [Ferri2011], est basé sur le modèle de microchamp électrique APEX [Iglesias2000] et sur un opérateur électronique de collision à impact semi-classique incluant les termes de fortes collisions et d’interférence [Sobelman1972, Griem1979]. Aucun de ces modèles ne tient compte des effets d’anisotropie et des trajectoires hélicoïdales provoquées par les champs B, qu’il pourrait être important de prendre en considération.

Notre objectif est d’étendre le code BinGo [Talin 2003], une technique de dynamique moléculaire classique développée et maintenue dans notre groupe, aux plasmas hautement magnétisés afin d’étudier l’effet d’un champ B statique sur leur structure et leurs propriétés statistiques dynamiques. La technique de dynamique moléculaire classique fournit des trajectoires dans l’espace de phase des particules en interaction, permettant de suivre l’évolution des positions et des vitesses des particules nécessaires pour évaluer les propriétés statistiques statiques ou dynamiques du plasma. Cette technique est bien adaptée pour fournir des historiques de microchamps en fonction du temps au niveau des émetteurs, qui peuvent être utilisés à des fins de spectroscopie du plasma. Elles peuvent être utilisées directement dans une intégration étape par étape de l’équation de Schrödinger, fournissant des formes de lignes spectrales de référence. Leur analyse statistique peut également fournir des fonctions de distribution de champ de référence à utiliser pour le développement de modèles de microchamps requis dans les codes de forme de ligne. Ainsi, l’introduction des effets de champ B dans la MD permettra d’étudier l’anisotropie et les effets de criblage sur les propriétés des microchamps afin d’améliorer les modèles correspondants dans les codes de forme de ligne. De plus, en ayant accès aux trajectoires, les facteurs de structure dynamique des électrons libres (DSF) peuvent être évalués grâce à la MD [Calisti2014]. Les facteurs de structure dynamique des électrons libres constituent l’entrée de base pour les calculs de la section de diffusion de Thomson, capables de révéler les fluctuations de densité sur l’échelle de longueur d’onde des photons diffusés. Les spectres de diffusion Thomson ont récemment été calculés pour des plasmas denses formants, prédisant de nombreuses caractéristiques de pointe liées à la vitesse du son et au champ B [Bott2019]. Expérimentalement, ce type de spectre a été mesuré dans le domaine visible dans les années 1970 [Evans1970], montrant des signes de modulation des caractéristiques des ions à la fréquence électronique. Lier les calculs aux mesures de diffusion de Thomson aux rayons X à résolution spectrale pourrait être une façon possible d’extraire les champs B incorporés dans le plasma.

La première partie du travail de doctorat sera consacrée à l’implémentation du champ magnétique statique dans notre simulation classique de dynamique moléculaire. Le développement numérique sera ensuite appliqué à l’étude de l’influence des trajectoires de flexion sur la structure des plasmas et les propriétés statistiques dynamiques. Par souci de simplicité, l’étude de l’influence des trajectoires de flexion sur les propriétés statistiques (facteurs de structure dynamique, coefficients de transport, etc.) sera d’abord effectuée sur un plasma à un composant (modèle de Yukawa). Cette technique sera ensuite appliquée à la simulation d’une impureté ionique dans un plasma magnétisé par des électrons afin d’étudier la dynamique non linéaire des électrons autour de l’impureté, les effets d’écran, la distribution des microchamps électroniques. Dans une troisième étape, l’influence du champ B sur les effets du couplage des particules sera évaluée par le code BinGo-TCP [Calisti2011] (modélisation d’un plasma neutre à deux composantes d’ions et d’électrons en interaction via un potentiel régularisé à courte distance qui évite l’effondrement de Coulomb et tient compte de certains effets quantiques). Tous ces développements et résultats seront comparés aux développements théoriques et aux observations expérimentales s’il y en a. Pour une mise en œuvre réussie de ce projet théorique et numérique, nous attendons un doctorant intéressé par la physique des plasmas, la physique atomique et la spectroscopie des plasmas. Des compétences en programmation pertinentes pour les calculs numériques (en Fortran, C ou C++) sont plus que bienvenues.

Bibliographie :

[Bott2019] Thomson scattering cross section in a magnetized high-density plasma, Phys. Rev. E 99,

063204 (2019).

[Calisti2014] Warm dense matter through classical molecular dynamics, High Energy Density Phys.

13, 1 (2014).

[Evans1970] Measurement of magnetic field in a laboratory plasma by Thomson scattering of laser

light, Phys. Rev. Lett. 25, 1605 (1970).

[Ferri:2011] The Frequency Fluctuation Model applied to Stark-Zeeman spectral line shapes in plasmas, Phys. Rev. E 84, 026407 (2011).

[Griem1979] Stark-profile calculations for Lyman-series lines of one-electron ions in dense plasmas, Phys. Rev. A 19, 2421 (1979).

[Santos2018] Laser-driven strong magnetostatic fields with applications to charged beam transport and magnetized high energy-density physics, Phys. Plasmas 25, 056705 (2018).

[Iglesias2000] Fast electric microfield distribution calculations in extreme matter conditions, J. Quant. Spect. Radiat. Transfer 65, 303 (2000).

[Sobelman1972] Excitation of Atoms and Broadening of Spectral Lines. Springer-Verlag, Berlin, 1980, V.I. 1972.

[Talin2003] Molecular dynamics simulation for modelling plasma spectroscopy, J. Phys. A Math. Gen. 36, 6049 (2003).

Sandrine Ferri - Contacter
Laboratoire PIIM

Autres offres d'emploi

Retour à la liste