CT5 - PHYSIQUE THEORIQUE ET PHYSIQUE DES PLASMAS
Supercalculateur : JOLIOT-CURIE
Nombre d’heures : 10 millions d’heures
#GRANDSCHALLENGES #JOLIOT-CURIE
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Simulation d'accélération d’électrons en configuration double-étage dans le cadre du laser CILEX-APOLLON
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Mathieu Lobet, Julien Dérouillat - Ingénieur-chercheurs CEA à la Maison de la Simulation
Arnaud Beck, Francesco Massimo - Chercheurs au Laboratoire Leprince-Ringuet, École Polytechnique
Le monde des lasers de puissance a récemment été mis en lumière avec l’attribution du prix Nobel aux chercheurs Donna Strickland et Gérard Mourou pour l’invention de la méthode d’amplification par dérive de fréquence (ou CPA pour Chirped Pulse Amplification).
Cette méthode et ses améliorations successives ont permis la croissance quasi-constante des puissances laser depuis les années 80 et l’émergence de l’interaction laser-matière à très haute intensité. L’irradiation de la matière sous forme gazeuse ou solide par des lasers ultra-intenses (en allant de quelques TW à plusieurs PW aujourd’hui) donne lieu à de multiples effets physiques : instabilités plasmas, accélérations de particules, rayonnements très haute-fréquences etc. L’installation laser Apollon sur le plateau de Saclay délivrera bientôt ses premières impulsions petawatt (1015 W). L’une des thématiques phare de recherche du projet Apollon est l’accélération d’électron dans une configuration dite à double-étage.
Crédits : M. Lobet (Beck et al., CPC (2019), en cours d'examen, voir https://arxiv.org/abs/1810.03949)
Cette technique consiste à extraire le faisceau électronique accéléré dans une première onde de sillage, de le guider avec des champs magnétiques et de le réinjecter, de manière synchronisée, dans la partie accélératrice d’une seconde onde de sillage. Il est ainsi possible d’atteindre des énergies plus importantes. Le second étage diffère du premier principalement de par sa longueur beaucoup plus importante. C’est ce point précis qui présente un vrai challenge pour la simulation.
A gauche, densité de charge électronique montrant l'onde de sillage plasma et champ électrique laser transverse Ey au temps physique normalisé 2770 1/omega (omega étant la pulsation laser).
A droite, état vectorisé ou scalaire des patchs pour l'espèce électronique composant la simulation au même temps que la figure de gauche.
Crédits : M. Lobet (Beck et al., CPC (2019), en cours d'examen, voir https://arxiv.org/abs/1810.03949)
La simulation numérique joue un rôle important pour la compréhension des mécanismes physiques et l’élaboration des futures expériences. Capable de décrire les effets cinétiques à coût maitrisé, les codes Particle-In-Cell (PIC) sont les outils de choix pour l’interaction laser courte impulsion à haute-intensité. Dans ce but, le code PIC massivement parallèle et open-source Smilei, développé depuis 2013, possède aujourd’hui tous les modèles physiques nécessaires.
Dans le cadre des grands challenges Joliot-Curie 2018, une nouvelle méthode de description du laser dite méthode d’enveloppe a été développée. Cette méthode, particulièrement adaptée à la simulation des expériences double-étage, permet de gagner un temps de calcul significatif par rapport aux méthodes 3D classiques et donc de simuler de très grandes distances de propagation. Le grand challenge a permis de valider ce nouveau modèle en le comparant à des simulations plus standards normalement inaccessibles pour de telles longueurs de propagations.
A gauche, Comparaison entre une simulation avec modèle d'enveloppe et une simulation standard après 3 mm de propagation.
A gauche la densité de charge électronique et à droite le champ électrique longitudinal.
Crédits : F. Massimo (F. Massimo ICAP'2018 proceeding, en cours d'examen)
Crédits : M. Lobet (Beck et al., CPC (2019), en cours d'examen, voir https://arxiv.org/abs/1810.03949)
Les grands challenges ont en outre aidé au développement de nouvelles optimisations et à leurs tests sur des cas de production. Les opérateurs les plus couteux ont été vectorisés. Il a été montré que ces méthodes sont particulièrement efficaces avec beaucoup de particules par cellule. Une méthode adaptative de vectorisation a donc été implémentée permettant en fonction du nombre de particules à traiter par cellule de prédire l’opérateur le plus efficace à utiliser entre scalaire et vectoriel. Cette amélioration apporte des accélérations intéressantes sur des cas de production variés dans le traitement des particules : x1.3 sur des cas d’accélération d’électron, x1.5 sur un cas d’attaque sur cible fine et x2 sur un cas Weibel moyennement relativiste.
Suite à ces résultats, un article a été soumis à CPC et est disponible en pré-publication à cette adresse : pré-publication.
Les résultats obtenus avec le modèle d’enveloppe vont également être présentés à la conférence « International Computational Accelerator Physics 2018 ».