Etudes expérimentales et numériques de l'interaction d'un faisceau d'électrons avec une cible aluminium

Experimental and numerical studies of the interaction of an electron beam with an aluminum target

• Auteur / Autrice : Nicolas Szalek
• Direction : Franck Gobet, Jacques Gardelle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique, Plasmas, nucléaire
• Date : Soutenance le 16/07/2020
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre d'études nucléaires Bordeaux Gradignan
• Jury : Président / Présidente : Fabien Dorchies
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Franck Gobet, Jacques Gardelle, Fabien Dorchies, Hermann Rothard, Laurent Berthe, Olivier Vacus
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hermann Rothard, Laurent Berthe

Mots clés

Mots clés contrôlés

Générateurs de plasma

Dépôt d'énergie

Matériaux

Contraintes thermiques

Faisceaux de particules

Mots clés libres

Dépot d'énergie

Faisceau d'électron

Thermochoc

Plasma

Simulation

Energy deposition

Electron beam

Thermoshock

Plasma

Simulation

Résumé

Une des applications des faisceaux intenses d’électrons relativistes est la caractérisation de matériaux soumis à leur irradiation. L’étude des chocs en résultant permet de développer et de valider les équations d’états de ces matériaux. Au CEA/CESTA nousdisposons de deux générateurs qui seront décrits et utilisés dans cette thèse. CESAR est un générateur produisant un faisceau d’électrons de 800 keV, 300 kA, sur une durée de 60 ns. En raison du fort courant, le faisceau est transporté dans 1 mbar d’air puis il est focalisé grâce à un champ magnétique externe. Le temps de fonctionnement de CESAR est divisé en deux parties : la caractérisation du faisceau émis et l’étude de matériaux soumis à des chocs par le dépôt d’énergie des électrons. Pour simuler le comportement du matériau cible pendant l’expérience, nous utilisons deux codes de calculs. Le premier, Diane, calcule le dépôt d’énergie des électrons dans la cible. Le second, Hésione, utilise les résultats de Diane pour simuler l’hydrodynamique de cette dernière qui est associée au dépôt d’énergie. Pour initialiser les calculs, nous utilisons les résultats des expériences de caractérisation du faisceau (énergie cinétique des électrons, courant et homogénéité du faisceau). Dans le cas de CESAR à haute fluence (700 cal/cm2), nous montrerons que l’énergie des électrons doit diminuer durant leur transport dans le gaz pour restituer correctement les expériences par les simulations. En parallèle, nous utilisons le générateur RKA pour étudier la physique de l’interaction d’un faisceau d’électrons (500 keV, de 3 à 30 kA, 100 ns) de basse fluences (quelques cal/cm2) avec un gaz, ceci en collaboration avec le laboratoire américain "Sandia National Laboratories". Le faisceau produit, très reproductible, est transporté dans de l’argon à une pression variable et il a été caractérisé finement dans ce travail de thèse. Les résultats des expériences seront comparés aux prévisions des codes de calculs CALDER (CEA-DAM) et EMPIRE (SNL) afin de valider ces derniers.

One of the applications of relativistic intense electron beams is the characterization of materials subjected to their irradiation. The study of the resulting shocks makes it possible to develop and validate the equations of state of these materials. At CEA /CESTA we have two generators which will be described and used in this thesis. CESAR is a generator producing an electron beam of 800 keV, 300 kA, over a duration of 60 ns. Due to the strong current, the beam is transported in 1 mbar of air and then it is focused thanks to an external magnetic field. The operating time of CESAR is divided into two parts : the characterization of the emitted beam and the study of materials subjected to shocks produced by the energy deposition of electrons. To simulate the behavior of the target material during the experiment, we use two simulation codes. The first, Diane, calculates the energy deposition of electrons in the target. The second, Hésione, uses Diane’s results to simulate the hydrodynamics of the target which is associated with energy deposition. To initialize the calculations, we use the results of the beam characterization experiments (kinetic energy of the electrons, current and homogeneity of the beam). In the case of CESAR at high fluence (700 cal/cm2), we will demonstrate that the kinetic energy of the electrons must decrease during their transport in the gas in order to correctly restore the experiments by the simulations. In parallel, we use the RKA generator to study the physics of the nteraction of an electron beam (500 keV, from 3 to 30 kA, 100 ns) at low fluence (a few cal/cm2) with a gas, this work is performed in collaboration with the American laboratory "Sandia National Laboratories ". The highly reproducible electron beam is transported in argon at a variable pressure and has been studied in this thesis’ work. The results of the experiments will be compared to the predictions of the CALDER (CEA-DAM) and EMPIRE (SNL) calculation codes in order to validate the latter.