2212/TP/YE/2

Thèse – Physique – Modélisation – TP/YE/2

Le laboratoire PIIM propose à une candidate ou un candidat motivées un sujet de thèse dans le cadre la préparation d'un doctorat à Aix-Marseille Université en partenariat avec le Centre National d'Etudes Spatiales (CNES) et la société Thalès.

Le sujet de thèse proposé s’intitule  : mise en forme avancée de l’interaction onde-particule dans les tubes à ondes progressives.

Avant d’aborder le détail de ce sujet un peu plus bas dans le texte, il convient de préciser à l’attention des candidates et des candidats les modalités pratiques de cette thèse et de la préparation du diplôme de doctorat dans lequel elle s’inscrit.

Le démarrage du doctorat, à l’école doctorale “Physique et Sciences de la Matière” (ED252) d’Aix-Marseille Université, est prévu à l’automne 2023. Le financement est apporté pour moitié par le Centre National d’Etudes Spatiales (CNES) et pour une autre moitié par la société Thales. Pour la candidate ou le candidat retenue, il prendra la forme d’un contrat de travail à durée déterminée dénommé “contrat doctoral” d’une durée de 3 ans du 01/10/2023 au 30/09/2026. L’employeur serait cependant le CNES et la thèse se déroulerait au laboratoire PIIM à Marseille avec des déplacements réguliers à prévoir chez Thales à Vélizy (Yvelines). La candidate ou le candidat retenue serait par conséquent salarié du CNES pendant 3 ans, le contrat de travail restant conditionné par la poursuite de la préparation du doctorat.

Ainsi, les candidatures devront-elles être, en temps utile, formalisées auprès du CNES, sur son site de candidatures, c’est à dire entre le 01/02/2023 et 15/03/2023 lorsque le poste sera affiché.

Avant de déposer une candidature, il est fortement recommandé de lire très attentivement le sujet puis de prendre contact dès que possible par mail avec les futurs co-directeurs de thèse, le Professeur Yves Elskens (yves.elskens (at) univ-amu.fr) au laboratoire PIIM, et Frédéric André (frederic.andre (at) thalesgroup.com), ingénieur de recherche chez Thalès AVS Microwave and Imaging Systems.

Ce sujet est par ailleurs en lien étroit avec le stage connexe proposé au laboratoire. du mois de mars à juillet 2023. Il va de soi qu’un stage réussi sur ce sujet trouve sa prolongation naturelle dans la préparation du doctorat.

Sujet de thèse : mise en forme avancée de l’interaction onde-particule dans les tubes à ondes progressives

L’interaction onde-particule est un processus fondamental de la physique des plasmas chauds et naturels, des accélérateurs et des faisceaux. En particulier, elle est à la base des amplificateurs d’ondes tels que les lasers à électrons libres, les gyrotrons, les tubes à ondes progressives… La puissance de certains de ces dispositifs et leur large spectre de fréquences conduisent à des instabilités, aujourd’hui de plus en plus critiques et difficiles à simuler. Une description microscopique permet de mieux comprendre les mécanismes de couplage entre les particules N et les ondes radiofréquences amplifiées en utilisant la dynamique hamiltonienne. Pour N → ∞, la dynamique de ce système converge vers celle décrite par les équations cinétiques vlasoviennes.

La simulation numérique repose actuellement sur deux types de modèles. Les modèles PIC (Particle-in-Cell) reposent sur une simplification minimale des équations de la physique mais conduisent à des temps de calcul énormes, car le nombre de degrés de liberté est très grand. Les modèles spécialisés, en revanche, permettent de simuler uniquement des régimes particuliers, mais avec des temps remarquablement plus courts.

Le modèle d’enveloppe très populaire est un modèle dans le domaine fréquentiel dans lequel l’onde amplifiée est représentée par l’onde froide (l’onde se propageant en l’absence de faisceaux), multipliée par une fonction d’enveloppe variant avec la position le long de la direction de propagation. Cette approche dans le domaine fréquentiel n’est pas adaptée à l’étude des régimes non linéaires, comme les instabilités de saturation et les effets d’intermodulation.

Nous avons développé un nouveau modèle dans le domaine temporel avec peu de degrés de liberté grâce à une représentation efficace des champs, permettant une simulation réaliste de l’amplification dans les tubes à ondes progressives. Nous confronterons ces simulations à l’expérience dans des tubes à ondes progressives spatiaux et dans le dispositif de 4 mètres de long qui a permis au laboratoire PIIM de réaliser la première observation directe de plusieurs processus fondamentaux de cette physique.

Le doctorat se concentrera sur le développement de modèles non linéaires simples et leur utilisation numérique pour des applications en particulier aux tubes à ondes progressives de Thales Avionics (Vélizy) et de notre laboratoire (Marseille). Trois axes de recherche spécifiques sont envisagés :
– adapter le modèle actuel (conçu pour des structures uniformes) à des structures dont les caractéristiques dépendent de l’espace (tapers) ;
– décrire plus précisément les processus de réflexion au niveau des défauts dépendant de l’espace ;
– étudier le fonctionnement du TWT avec une entrée RF pulsée (au lieu d’une entrée harmonique permanente) ; ce régime pulsé peut permettre d’atteindre des efficacités d’interaction beaucoup plus élevées ; cette physique est également pertinente pour d’autres applications, visant à accélérer des particules en utilisant des impulsions courtes.

Bibliographie :
– Y. Elskens & D. Escande, Microscopic dynamics of plasmas and chaos (IoP Publishing, Bristol, 2003).
– F. André, P. Bernardi, N.M. Ryskin, F. Doveil & Y. Elskens, Hamiltonian description of self-consistent wave-particle dynamics in a periodic structure, Europhys. Lett. 103 (2013) 28004.
– D.F.G. Minenna, Y. Elskens, F. André & F. Doveil, Electromagnetic power and momentum in N-body hamiltonian approach to wave-particle dynamics in a periodic structure, Europhys. Lett. 122 (2018) 44002.
– Kh. Aliane, Y. Elskens, F. André & D.F.G. Minenna, Many-particle models and short pulse amplification in traveling wave tubes, IEEE Trans. El. Dev. 68 (2021) 6476-6481
– D.F.G. Minenna, Kh. Aliane, Y. Elskens, A. Poyé, F. André, J. Puech & F. Doveil, Time simulation of the nonlinear wave-particle interaction in meters long traveling-wave tubes, Phys. Plasmas 28 (2021) 092110
– PhDs in Marseilles : A. Macor (2007), A. Aïssi (2008), P. Bernardi (2011), S. Théveny (2016), D. Minenna (2019), Kh. Aliane (in progress).

Yves Elskens - Contacter
Laboratoire PIIM
Marseille

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