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Soutenance de thèse de Jérémie-Marie PLEWA

par Isabelle Clarysse - publié le

Jérémie-Marie PLEWA

LAPLACE – Plasmas Réactifs Hors Equilibre PRHE
CEA/DAM Gramat

soutiendra publiquement ses travaux de thèse intitulés
« Etude de l’influence des plasmas dans les diodes à électrons pour la radiographie éclair. »

le vendredi 28 septembre 2018 à 10h00
Salle des Colloques - bâtiment 3R2 du LAPLACE, site UPS.

Jury de thèse

Ahmed RHALLABI, Professeur à l’Université de Nantes, IMN Nantes - Rapporteur
Nelly BONIFACI, Chargée de recherche au CNRS, G2Elab, Grenoble - Rapporteur
Nicolas PICHOFF, Ingénieur Chercheur au CEA/DRF Saclay - Examinateur
Mohammed YOUSFI, Directeur de recherche au CNRS, LAPLACE Toulouse - Examinateur
Olivier EICHWALD, Professeur à l’Université Toulouse 3, LAPLACE Toulouse - Directeur de thèse
Rémi MAISONNY, Ingénieur Chercheur au CEA/DAM Gramat - Co-directeur de thèse
Virgile BERNIGAUD, Ingénieur Chercheur au CEA/DAM Valduc - Invité
Thierry D’ALMEIDA, Ingénieur Chercheur au CEA/DAM Gramat - Invité
Maxime RIBIERE, Ingénieur Chercheur au CEA/DAM Gramat - Invité

Résumé

La radiographie éclair par faisceau X intense est spécifique en ce sens qu’elle doit permettre de photographier la matière soumise à des conditions extrêmes de densification, de température et de vitesse de déplacement. Le succès de ce type de radiographie repose sur la qualité de la source X qui doit nécessairement être pénétrante (quelques MeV), intense (plusieurs rads), brève (quelques dizaines de ns) et de petite dimension (quelques mm). L’impulsion X est ainsi générée à partir du rayonnement de freinage émis lors de l’interaction avec une cible en métal d’un faisceau focalisé d’électrons de haute énergie (MeV) et de haute intensité (kA). Ce procédé lie très fortement les propriétés du faisceau d’électrons à ceux du faisceau X et donc à la qualité de la radiographie. Dans ce contexte, la thèse porte sur la compréhension de la dynamique du faisceau dans la diode à l’électron (c’est-à-dire juste avant son entrée dans la ligne accélératrice) ainsi que sur la caractérisation du plasma de velours dont sont issus les électrons qui composent le faisceau.
Dans un premier temps, la dynamique du faisceau intense d’électrons a été étudiée à l’aide du code LSP reposant sur la méthode « Particle-In-Cell ». Les simulations réalisées ont été comparées avec des mesures effectuées sur l’injecteur d’un accélérateur linéaire à induction, implanté au CEA Valduc sur l’installation Epure. Grâce au modèle de simulation développé, une nouvelle diode à électrons mono-impulsion a été conçue, dimensionnée et réalisée pendant ce travail de thèse afin d’augmenter l’intensité du faisceau d’électrons de 2.0 kA à 2.6 kA permettant ainsi d’améliorer les performances radiographiques de l’installation.

Dans un second temps, un modèle permettant d’étudier les mécanismes mis en jeu dans la production du faisceau d’électrons au niveau de plasma de cathode a été développé. Ce dernier est un modèle collisionnel-radiatif (MCR) 0D qui permet de décrire l’évolution de la densité des espèces d’un plasma dont la composition est directement liée aux molécules et atomes désorbés par la cathode de velours. Trois différents mélanges ont été étudiés impliquant de l’hydrogène, de l’oxygène et du carbone dont les proportions ont été estimées par des mesures LIBS (spectroscopie de plasma induit par laser). Les coefficients de réactions ont été calculés à partir des sections efficaces des collisions et des fonctions de distribution en énergie des électrons estimées à partir de la solution de l’équation de Boltzmann stationnaire. Le plasma a été caractérisé expérimentalement par des mesures de spectroscopie d’émission optique permettant de valider le modèle. Ce modèle a permis d’étudier l’évolution des densités des espèces et de l’énergie des électrons en fonction des mélanges et de la densité de courant du faisceau. L’identification des mécanismes principaux qui gouvernent l’évolution des espèces chargées a permis de réduire considérablement la quantité d’espèces et de réactions à prendre en considération dans le MCR sans affecter la qualité des résultats. Ce travail ouvre les perspectives d’implémentation d’un modèle de plasma dans des codes de type « PIC – Monte Carlo Collisions » afin d’étudier, notamment, un éventuel fonctionnement multi-impulsions de la diode à électrons qui demeure un enjeu majeur sur les grandes installations de radiographie éclair dans le monde.

Abstract

Intense X-ray flash radiography is used to take a stop-action picture of a material under extreme conditions like high densification, high temperature and high movement speed. The success of this kind of radiography is based on the quality of the X-ray source which must necessarily be penetrating (some MeV), intense (several rads), short (a few tens of ns) and small (a few mm). The X-ray pulse is generated from the bremsstrahlung radiation emitted during the interaction with a metal target of a focused electron beam of high energy (MeV) and high intensity (kA). This process strongly links the properties of the electron beam to those of the X-ray beam and thus to the quality of the radiography picture. In this context, the thesis is about the electron beam dynamics in the electron diode (i.e. just before electrons move towards the accelerator) as well as about the characterization of the velvet plasma from which electrons are extracted to form the beam.
Firstly, the dynamics of the intense electron beam was studied using the LSP code based on the "Particle-In-Cell" method. The simulations were compared to measurements made on the injector of a linear induction accelerator, at the CEA Valduc center on the Epure facility. Based on the developed simulation model, a new single-pulse electron diode was designed, sized and realized during this thesis to increase the intensity of the electron beam from 2.0 kA to 2.6 kA, thus improving the radiographic performances of the facility.
In a second step, a model allowing to study the mechanisms involved in the production of the electron beam from the cathode plasma was developed. This latter is a collisional-radiative model (CRM) 0D describing the evolution of the plasma species density of a plasma whose composition is directly related to the molecules and atoms desorbed by the velvet cathode. Three different mixtures were studied involving hydrogen, oxygen and carbon, and proportions were estimated by LIBS (Laser-induced breakdown spectroscopy) measurements. The reaction coefficients were calculated from collision cross sections and electron energy distribution functions estimated from the solution of the stationary Boltzmann equation. The plasma was experimentally characterized by optical emission spectroscopy measurements to validate the model. This model allowed to study the evolution of the species densities and electron energy as a function of the plasma mixtures and the electron beam current density. The identification of the main mechanisms governing the evolution of the charged species allowed to considerably reduce the number of species and reactions to be considered in the CRM without affecting the quality of the results. The prospects of this work are to implement a plasma model in PIC-Monte Carlo Collisions codes in order to study, in particular, a possible multi-pulse operation of the electron diode, which remains a major issue on large flash X-ray facilities around the world.