Simulation de l’interaction d'un flux de photons X impulsionnel haute énergie avec un scintillateur
Dans le cadre d’expériences d’hydrodynamique, le CEA-DAM utilise des installations de radiographie impulsionnelles qui génèrent, en quelques dizaines de nanosecondes, une dose très importante de photons X énergétiques, jusqu'à 20 MeV. Après avoir traversé l'objet étudié, les photons X interagissent avec un détecteur, composé d’un cristal scintillateur convertissant les photons X en photons visibles, qui sont ensuite détectés par une caméra CCD. L'objectif de ce post-doctorat est de mettre en place une chaîne de simulation complète du détecteur, comprenant l’émission des photons visibles par le scintillateur et leur transport par la chaine optique jusqu’à la caméra CCD. Dans un premier temps, le (la) candidat(e) devra modéliser les différents mécanismes mis en œuvre dans la chaîne de détection et identifier les outils de simulation les plus pertinents pour les reproduire. Dans un deuxième temps, il (elle) sera amené(e) à comparer les résultats de simulation à des campagnes de caractérisation expérimentales, réalisées à l’aide d’une source X impulsionnelle. Enfin, le (la) candidat(e) pourra proposer, à l'aide de la chaîne de simulation retenue, des évolutions possibles pour les futures chaînes de détection. Ce travail pourra faire l'objet de publications.
Conception d’une chaîne de vélocimétrie hétérodyne dans l'infrarouge moyen pour les hautes vitesses
Ce post-doctorat vise à concevoir au moyen de briques technologiques innovantes un diagnostic de vélocimétrie hétérodyne fonctionnant dans l'infrarouge moyen (entre 3 µm et 5 µm) pour sonder des nuages de particules denses et se déplaçant à des vitesses élevées (jusqu'à 5000 m/s), en physique des chocs. Schématiquement, on fait interférer sur un photodétecteur relié à un numériseur deux ondes laser légèrement décalées en fréquence, l’une sert de référence et l’autre porte l’information de vitesse de l’objet visé, par effet Doppler. Le développement de nouveaux composants optiques et de technologies de pointe dans cette gamme de longueurs d'onde est actuellement en plein essor, pour des applications dans la Défense, la détection de gaz, etc... Dans une première phase de conception, le (la) candidat(e) devra donc identifier et choisir les composants photoniques les plus pertinents pour notre besoin. Il (elle) devra pour cela optimiser les performances globales de la chaîne de mesure, en s'appuyant sur des outils de simulation du commerce ou développés au CEA-DAM. Dans un deuxième temps, il (elle ) constituera la chaîne de mesure avec les éléments optiques retenus. Il (elle) pourra également être amené(e) à participer au dimensionnement et à la fabrication d'éléments mécaniques de précision pour assurer l'interface entre les éléments. Suivant l'état d'avancement, le système ainsi conçu pourra être déployé sur des expériences dédiées. Ce travail pourra faire l'objet de publications.
Cascade de circulicité en turbulence compressible
Dans le cadre de ce post-doctorat, nous proposons d'étudier les propriétés des petites échelles d'une turbulence homogène compressible forcée, et cela au travers de relations statistiques exactes de type Monin-Yaglom. L'idée, détaillée dans la référence [1], est de comprendre comment s'organise le transfert de circulicité dans la zone inertielle. La circulicité est une grandeur associée au moment angulaire et, par extension, aux mouvements tourbillonnaires. L'analyse de ses propriétés inertielles permet de compléter la description de la cascade d'énergie déjà mise en évidence dans de précédents travaux [2,3].
L'objectif du post-doctorat sera de réaliser et d'exploiter des simulations directes de turbulence compressible homogène avec forçage, de façon à mettre en évidence les propriétés inertielles de la circulicité.
Pour cela, le(la) post-doctorant(e) disposera d'un accès au très grand centre de calcul (TGCC) ainsi que d'un code, Triclade, résolvant les équations de Navier-Stokes compressibles [4]. Ce code ne possède pas de mécanisme de forçage et la première tâche du(de la) post-doctorant(e) consistera donc à ajouter cette fonctionnalité. Une fois cette tâche accomplie, des simulations seront réalisées en faisant varier la nature du forçage et notamment le rapport entre ses composantes solénoïdales et dilatationnelles. Ces simulations seront ensuite exploitées en analysant les termes de transfert de la circulicité.
[1] Soulard and Briard. Submitted to Phys. Rev. Fluids. Preprint at arXviv:2207.03761v1
[2] Aluie. Phys. Rev. Lett. 106(17):174502, 2011.
[3] Eyink and Drivas.Phys. Rev. X 8(1):011022, 2018.
[4] Thornber et al. Phys. Fluids 29:105107, 2017.
Intégration d’un pouvoir d'arrêt électronique ab initio dans les simulations de dynamique moléculaire des cascades de déplacement dans les semiconducteurs
En environnement radiatif, les effets de déplacements atomiques peuvent entrainer la dégradation des performances des composants électroniques et optoélectroniques. Dans les semiconducteurs constituant ces composants, ils créent des défauts à l’échelle atomique, qui modifient le nombre de porteurs libres et donc altérent les performances du composant.
Afin de mieux comprendre les phénomènes physiques à l’origine de ces dégradations, les effets de déplacement sont bien reproduits par simulation à l’aide de méthode de dynamique moléculaire classique. Néanmoins, une compréhension plus fine de l’influence de la structure électronique du matériau sur le nombre de défauts créés lors de la cascade de déplacement est nécessaire pour avoir des simulations précises. Pour cela, un modèle nommé électron-phonon EPH a été développé. L’objectif de ce post-doctorat sera de nourrir ce modèle avec des calculs ab initio puis de le paramétrer afin d’effectuer des simulations de dynamique moléculaire pour plusieurs semiconducteurs utilisés dans les technologies microélectroniques actuelles. Les résultats obtenus serviront à mieux comprendre et améliorer si besoin le modèle EPH.
Soudage laser de matériaux hautement réfléchissants à l'échelle sub-millimétrique
Dans le cadre du programme "Simulation", le CEA réalise des expériences sur lasers de puissance mettant en œuvre des objets à forte valeur ajoutée. Ces objets, les microcibles, sont des assemblages complexes d'éléments variés, dont la fabrication requiert des procédés sophistiqués, à la limite de la rupture technologique. Parmi ces technologies, le CEA souhaite développer ses capacités de soudage par laser, à l'échelle sub-millimétrique. Un défi majeur réside dans le soudage de matériaux hautement réfléchissants (aluminium, cuivre, or,...), pour accéder à de nouvelles fonctionnalités (jonction métallurgique, étanchéité,....).
L'objectif de ce post-doctorat est de développer des solutions technologiques pour la réalisation d'assemblages soudés, et de comprendre l'interaction laser/matière associée. L'intérêt, mais aussi la difficulté, de l'étude réside dans les différents critères que doivent respecter les procédés : 1) être compatibles de matériaux hautement réfléchissants et de très faibles épaisseurs (< 0,2 mm) , 2) induire des effets collatéraux (thermiques notamment) extrêmement localisés, 3) fonctionnaliser le joint soudé (étanchéité par exemple).
Le postdoctorant(e) exploitera la dernière génération de source laser émettant dans des longueurs d'onde visibles (vert, bleu). Il/elle participera à la conception et aux tests de qualification de la station laser associée à cette nouvelle source. Après validation, il/elle réalisera l'étude de la soudabilité opératoire et métallurgique des sous-éléments. Il/elle comparera ses résultats avec l'utilisation d'un laser infrarouge impulsionnel. Il/elle expertisera les joints obtenus à l'aide de différentes approches et optimisera la conception des joints soudés. Son étude expérimentale ira jusqu'à la réalisation de tests fonctionnels sur prototypes. Des collaborations externes seront mises en place afin de confronter les résultats obtenus à des simulations afin d'en déduire un modèle phénoménologique.
Développement d'analyses en ligne pour les actinides en solution
La quantification des actinides présents dans les solutions issues des procédés mis en oeuvre sur le site de Valduc est un enjeu fort pour le CEA qui propose de développer une stratégie d’analyse en ligne.
L'approche chimiométrique basée sur des mesures en spectrophotométrie UV-Visible-NIR a démontré son efficacité pour l’analyse de solutions contenant du plutonium en milieu acide nitrique. Ces études ont été menées dans le cadre d'un précédent contrat post-doctoral.
La présente offre propose de poursuivre le développement de cette approche chimiométrique, de façon à étendre la compatibilité du modèle à d’autres configurations analytiques (concentrations et spéciations des actinides différentes) et à en optimiser les paramètres. En complément, des essais par spectrométrie gamma seront conduits pour pallier les limitations de la spectrophotométrie. Le(la) post-doctorant(e) aura également en charge l’implantation des moyens d’analyse développés sur une ligne de procédé ainsi que l’évaluation des performances dans cette configuration.
Accélération par GPU d'un code de dynamique des gaz préexistant.
Le code Triclade, développé au CEA-DAM, est un code DNS tridimensionnel écrit en C++ MPI résolvant les équations de Navier-Stockes compressibles pour un mélange binaire de gaz parfaits sur des maillages cartésiens. Il est utilisé, en particulier, pour simuler le mélange turbulent se produisant aux interfaces entre fluides sous l'effet d'instabilités hydrodynamiques.
Le(a) candidat(e) aura pour tâche l'amélioration des performances de l'application en mettant en place un nouveau degré de parallélisme basé sur une programmation sur carte graphique (GPU). Le code ainsi produit devra réduire au mieux la divergence entre les approches CPU et GPU, en permettant notamment d'unifier les appels aux fonctions calculatoires de manière à masquer l'utilisation explicite des accélérateurs. Pour ce faire, il (elle) pourra se baser sur une API existante (telle que Kokkos), ou, suivant les besoins, des directives de précompilations (telles que OpenMP). Le(a) candidat(e) sera amené(e) à collaborer fortement avec plusieurs autres équipes travaillant autour de l'accélération GPU.
Une bonne connaissance de la programmation C/C++, des systèmes distribués (calculateurs) ainsi que de la programmation sur carte graphique seront nécessaires à la concrétisation de ces objectifs. Des connaissances en mécanique des fluides seraient appréciées.
Etudes numériques de l’interaction laser plasma en champ intermédiaire sur le Laser Megajoule
Dans les expériences de Fusion par Confinement Inertiel (FCI), des faisceaux lasers intenses traversent une cavité remplie de gaz qui est rapidement ionisé. Ils se propagent dans le plasma ainsi formé et sont soumis à des instabilités néfastes pour réaliser la fusion. Les techniques de lissage optique consistent à briser les cohérences spatiales et temporelles des faisceaux lasers afin que leurs tailles et temps caractéristiques soient plus petits que ceux requis pour le développement des instabilités. La brisure de la cohérence spatiale est réalisée par une lame de phase qui va répartir l’énergie laser en une multitude de grains de lumière appelés points chauds. La brisure de cohérence temporelle s’effectue en élargissant le spectre grâce à un modulateur de phase et en dispersant chaque fréquence grâce à un réseau. La connaissance des caractéristiques des points chauds (largeur, longueur, contraste, temps de cohérence, vitesses …) est importante pour prédire le niveau des instabilités qui peut évoluer en fonction du temps et au cours de la propagation des faisceaux.
Par souci de simplicité, les instabilités se développant lors de l’interaction laser-plasma sont souvent étudiées autour du point de focalisation des faisceaux lasers. Or dans les expériences de FCI, les faisceaux sont focalisés près du trou d’entrée laser de la cavité qui a une longueur d’environ 1 cm. Des instabilités peuvent donc se produire à la fois en amont du meilleur foyer (à l'extérieur de la cavité) et aussi et surtout en aval de celui-ci (assez loin à l’intérieur de la cavité). Le but de ce contrat post-doctoral est d’étudier le développement des instabilités lorsqu’il se produit en champ intermédiaire (loin du meilleur foyer du faisceau laser). Nous nous concentrerons sur les instabilités de propagation (autofocalisation, diffuson Brillouin vers l’avant) et sur la rétrodiffusion Brillouin. Le travail sera réalisé grâce à des outils de diagnostics et des codes numériques existants.
Construction d'un modèle numérique à l'échelle mésoscopique de pièces composites macroscopiques
La modélisation des matériaux composites à renfort fibreux à fibres continues (préforme) peut être réalisée à l’échelle mésoscopique par éléments finis en maillant la préforme tissée ainsi que la matrice. La géométrie de ces constituants peut être générée à partir d’une géométrie idéale ou issue d’imagerie par tomographie X (jumeau numérique). Une limite reste cependant le volume de matériau pouvant être représenté. Si le calcul classique par éléments finis est envisageable pour le matériau moyen, au point courant, les singularités géométriques (renfort, liaison, etc.) sont difficiles à prendre en compte (nombre de mailles important). Il est alors nécessaire de recourir à un calcul multi-échelle méso-macro. De récents développements en calcul par éléments finis montrent que la résolution du problème posé par le calcul sur modèle numérique d’une structure macroscopique décrite à l’échelle méso est possible en découpant ce calcul macros en une série de calculs mésos ("décomposition en sous-domaines"). Il faut alors disposer d’une description numérique macroscopique du composite, y compris dans les zones de singularités. L’objectif du stage post-doctoral proposé est de construire un outil logiciel permettant de reproduire une architecture composite (renfort à fibres continues) d’une pièce de forme donnée. Une attention particulière sera portée aux géométries de renfort possibles (tissés, rapportés, ...). Le choix des outils utilisés (mailleur, langage, …) sera étudié au début du stage.
Simulation d'un milieu poreux soumis à des impacts à haute vitesse
La maîtrise de la réponse dynamique de matériaux complexes (mousse, céramique, métal, composite) suite à des sollicitations intenses (dépôt d’énergie, impact hyper-véloce) est un enjeu majeur pour de nombreuses applications développées et conduites par la Direction des Applications Militaires (DAM) du Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives (CEA). Dans cette optique, le CEA CESTA développe des modélisations mathématiques du comportement de matériaux face à des impacts hypervéloces. Ainsi, dans le cadre de l’ANR ASTRID SNIP (Simulation Numérique des Impacts dans les milieux poreux) en collaboration avec l’IUSTI (Université Aix-Marseille), des études sur le thème de la modélisation des matériaux poreux sont menées. Elles ont pour objectif d’aboutir à l’élaboration de modèles innovants plus robustes et palliant les déficits théoriques des méthodes existantes (consistance thermodynamique, préservation du principe d’entropie) Dans le cadre de ce post-doc, le candidat devra effectuer, dans un premier temps, une revue bibliographique pour comprendre les méthodes et modèles développés au sein de l’IUSTI et du CEA CESTA et comprendre leurs différences. Dans un second temps, il étudiera la compatibilité entre le modèle développé à l’IUSTI et les méthodes de résolution numériques utilisées dans le code de calcul de dynamique rapide du CEA CESTA. Il proposera des adaptations et des améliorations de ce modèle pour prendre en compte l’ensemble des phénomènes physiques que l’on souhaite capturer (plasticité, contraintes de cisaillement, présence d’inclusions fluides, endommagement) et rendre son intégration dans le code de calcul possible. Après une phase de développement, la validation de l’ensemble de ces travaux sera effectuée via des comparaisons avec les modèles physico-numériques existants ainsi que la confrontation avec les résultats expérimentaux d’impacts issus de la littérature et/ou effectués au CEA/DAM.