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Plewa, Jérémie-Marie. Etude de l'influence des plasmas dans les diodes à électrons pour la radiographie éclair

Plewa, Jérémie-Marie (2018). Etude de l'influence des plasmas dans les diodes à électrons pour la radiographie éclair.

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Résumé en francais

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.

Sous la direction du :
Directeur de thèse
Eichwald, Olivier
Maisonny, Rémi
Ecole doctorale:Génie électrique, électronique, télécommunications (GEET)
laboratoire/Unité de recherche :Laboratoire PLAsma et Conversion d'Energie (LAPLACE), UMR 5213
Mots-clés libres :Plasma hors équilibre - Faisceau d'électrons - Accélérateur linéaire à induction - Cathode de velours - Radiographie éclair - Spectroscopie d'émission - Modèle collisionnel radiatif - Simulations électromagnétiques - Particle-in-cell
Sujets :Physique
Déposé le :21 Dec 2018 17:25