Endommagement et nettoyage laser des optiques d'installations lasers de puissance

Le Laser Mégajoule (LMJ) est une grande installation de physique actuellement en exploitation au CEA-Cesta. Elle permettra d’obtenir et d’observer la fusion thermonucléaire. Le LMJ est constitué de plusieurs milliers de composants optiques de grandes dimensions (typiquement 400 x 400 mm). Ces composants, de qualité optique exceptionnelle, sont soumis à des énergies et puissances laser tellement intenses qu'ils peuvent finir par générer des dommages à leur surface.
Au sein d'un laboratoire en charge des études d'endommagement laser des composants optiques, vous serez emmené à travailler sur un banc laser, nommé MELBA, qui permet de reproduire à petite échelle les caractéristiques des faisceaux du LMJ et d'étudier le lien entre l'endommagement laser des composants optiques et la présence de particules conduisant à dégrader et perturber le faisceau au cours de sa propagation dans l'optique.
Au cours de cette thèse, en collaboration avec une équipe d’ingénieurs et techniciens :
- vous réaliserez les tests d'endommagement laser de composants optiques, présentant des défauts sur les deux faces. L'endommagement sera analysé sur la face de sortie et dans le volume du composant ; - vous réaliserez différents protocoles d'illumination afin de mettre en œuvre des procédures de nettoyage laser ; - vous développerez des outils statistiques permettant de relier une population de défauts aux probabilités d'endommagement ; - vous modéliserez la propagation du faisceau dans le volume de l'optique.
La thèse sera à dominante expérimentale mais également appuyée par des travaux de compréhension et de modélisation des phénomènes physiques mis en jeu. Les tests s’inscrivent dans la compréhension des mécanismes d’endommagement laser et ont, in fine, pour objectif de proposer des solutions conduisant à limiter la dégradation des optiques.
La thèse de déroulera principalement au CEA-Cesta. Le (la) doctorant( e) sera également encadré( e) par un professeur de l’Institut Fresnel à Marseille. La thèse est un partenariat entre le CEA-Cesta et l’Institut Fresnel. Ce dernier possédant des outils complémentaires de ceux qui se trouvent au Cesta, des séjours ponctuels y seront possibles.

Conception et caractérisation d’un amplificateur de puissance implémentée sur une technologie GaN

Le développement de la technologie GaN, ces dernières années, ouvre la voie au développement de circuits aux performances améliorées. L’utilisation de cette technologie en environnement sévère semble prometteuse et présente un intérêt pour une utilisation en milieu radiatif et avec des excursions de températures étendues. Outre les performances offertes par la technologie, une connaissance du comportement en fonction de ses conditions d’utilisation et de l’environnement est nécessaire pour accompagner l’utilisation de cette technologie.

Cette thèse s’appuiera sur les outils commerciaux de conception micro-électronique (Cadence VIRTUOSO) et sur les outils de simulation traditionnels (Keysight ADS). Le travail de thèse commencera par une étude bibliographique sur les amplificateurs de puissance en général et l’application à la technologie GaN en particulier. Ces fonctions feront, dans un premier temps, l’objet de simulations pour évaluer le circuit, en tenant compte de l’impact de l’encapsulation et de la thermique. Plusieurs amplificateurs et motifs de test seront ensuite conçus pour valider les principes de fonctionnement obtenus en simulation et réaliser des démonstrateurs mesurés en étuve et en milieu radiatif. Ces résultats seront utilisés pour aboutir à un démonstrateur associé à un modèle comportemental.

Synthèse et traitements post-synthèse de métaux mésoporeux ultra-légers obtenus par plasma électrolytique pour la fabrication de cible laser

Dans le cadre d'expériences de physique fondamentale menées sur le Laser Mégajoule, le CEA doit développer des matériaux métalliques mésoporeux de très faible masse volumique apparente. Basé sur la découverte par les chercheurs du CEA d’un nouveau mécanisme réactif entre un plasma et un liquide, le CEA a développé un procédé de synthèse par plasma électrolytique unique au monde. Cette technologie permet de convertir en quelques secondes des milliers d’éclairs en autant de nano-filaments métalliques pour former des métaux sous forme d’éponge nano-structurée et ultra-légère.
La compréhension des mécanismes physico-chimiques qui régissent la synthèse de ces mousses est cruciale pour optimiser les propriétés des matériaux bruts de synthèse. Une première partie de la thèse consistera à poursuivre les études déjà menées et compléter le modèle phénoménologique innovant dans le domaine des plasmas électrolytiques.
Dans un second temps, l'influence d'un traitement thermique sur la cristallisation de ces matériaux et leur tenue mécanique sera menée afin d'optimiser leur mise en forme ultérieur par usinage laser ou mécanique d'ultra-précision.

Description cinétique de l’interaction laser-plasma pour la fusion inertielle

De nombreuses applications, telles que la fusion par confinement inertiel, demandent de comprendre les mécanismes physiques liés à la propagation de faisceaux laser très énergétiques dans un plasma. En particulier, dans le cas de la fusion, on veut quantifier le dépôt d’énergie laser sur une cible de Deuterium-Tritium cryogénique, et l’efficacité avec laquelle on peut comprimer cette cible pour déclencher les réactions de fusion. Or, lors de leur propagation, les faisceaux laser créent une onde plasma qui croît au détriment de l’énergie laser incidente. La croissance de cette onde n’est cependant pas infinie et s’arrête lorsque l’onde se brise (on dit encore qu’elle déferle). Cela s’accompagne de la production d’électrons chauds qui peuvent préchauffer la cible et entraver sa compression. Le déferlement d’une onde plasma est un phénomène physique de type cinétique, dont la description correcte passe par le calcul de la répartition en vitesses des électrons du plasma. Le but de la thèse est d'étudier le déferlement à la fois d'un point de vue théorique et numérique, en utilisant des codes cinétiques de type Vlasov. Une des principales difficultés réside dans la discontinuité des fonctions de distribution à décrire. Il s'agit, de plus, de décrire le déferlement depuis sa phase linéaire jusqu'au régime non linéaire, ce qui permet de quantifier la création d'électrons chauds. Le but ultime de la thèse est d'arriver à des modèles suffisamment simples pour tourner sur les codes de dimensionnement du CEA.

Modélisation de la capture de particules par des mousses aqueuses

Les mousses aqueuses constituent un moyen de protection efficace contre la détonation d'engins explosifs. En effet, utilisées en recouvrement de ce type de menace, elles réduisent significativement le souffle et capturent efficacement les particules micrométriques pouvant être émises.
La modélisation de ces phénomènes dans un code multiphasique est ainsi d'importance pour pouvoir traiter une grande variété de cas complexes. Plusieurs thèses sur le sujet ont abouti à un modèle reproduisant convenablement l'atténuation du souffle mais la modélisation de la capture des particules est encore à parfaire.

Modélisation par fonctions des alimentations soumises à des impulsions électriques forts niveaux

Les interférences électromagnétiques intentionnelles intenses sont capables de générer des perturbations électriques transitoires, analogues à celles produites par la foudre, se propageant sur les réseaux de distribution en électricité jusqu’aux alimentations des équipements électroniques. Des travaux de recherche doivent être mis en œuvre dans le but de prédire, en utilisant la simulation numérique, les effets des impulsions électriques intenses sur des alimentations à découpage.
L’objectif de la thèse est d’élaborer une modélisation prédictive de la destruction d'alimentations à découpage lorsqu’elles sont soumises à des courants impulsionnels de forts niveaux.
Le travail de thèse se décompose en trois grandes étapes :
o La première étape est l’élaboration d’un état de l’art sur : les effets d’impulsions électriques de forts niveaux sur les alimentations à découpage, les types de modélisation existants, les différentes fonctions des alimentations à découpage et leurs topologies représentatives, les moyens d’essais permettant d’extraire les paramètres nécessaires à la modélisation ;
o La deuxième étape aborde une approche expérimentale, envisagée pour : caractériser le comportement hors spécifications et extraire les paramètres électriques nécessaires à la modélisation de chaque fonction, prendre en compte, au travers d'une approche statistique, l'influence de la variabilité des caractéristiques des alimentations sur leur susceptibilité dans le but de généraliser les résultats;
o La troisième étape porte sur le choix de la modélisation pour chaque fonction et l'assemblage de ces modèles pour rendre compte du comportement d’alimentations et prédire leur seuil de destruction.

Développement de sondes électro-optiques pour la caractérisation de champs impulsionnels

Dans le domaine de la vulnérabilité électromagnétique des systèmes, vis-à-vis de l’IEMN HA (Impulsion Electromagnétique d’origine Nucléaire Haute Altitude), des simulateurs expérimentaux générant de forts niveaux de champ électrique sont employés pour agresser les équipements sous test. Cette agression peut se véhiculer dans les systèmes soit par rayonnement soit par conduction, engendrant l’utilisation d’une grande diversité de capteurs pour mesurer ces contraintes qui sont de natures différentes (courant, tension, champ électrique, champ magnétique). Si des produits commerciaux couvrent les besoins en dynamique et en bande passante pour les mesures de courant, il n’en est pas de même pour les mesures de tension et de champ électromagnétique. A l’heure actuelle, des mesures avec une dynamique de 50 dB voire plus et une résolution temporelle de l’ordre de la nanoseconde restent un verrou qui ne peut pas être levé avec les outils classiques de mesures à base d’antennes métalliques. Par ailleurs, des solutions diélectriques existent, basées sur des composants électro-optiques, mais elles n’atteignent pas encore les performances ciblées, et la robustesse reste une problématique à adresser. FEMTO-ST développe deux types de sondes électro-optiques, soit à cristaux photoniques, soit à base de guides, mais qui n’ont jamais été testées en environnement sévère.
L’objectif de la thèse est de développer des sondes électro-optiques LiNbO3 et leur encapsulation, et de les optimiser pour la caractérisation des IEMN.

Evaluation probabiliste des contraintes sur un réseau électrique vis-à-vis d’une agression conduite

La vulnérabilité des systèmes électroniques aux agressions électromagnétiques intentionnelles est une question extrêmement sensible au regard des évolutions technologiques et du déploiement de nombreux équipements électroniques pour la gestion de processus critiques. Les effets d’une contrainte couplée sur un réseau électrique basse tension et de sa propagation dans une installation, à travers le circuit de distribution électrique jusqu’aux équipements terminaux, est un sujet actuel d’intérêt vis-à-vis de ces menaces. La détermination des niveaux de contrainte à l’entrée des équipements est une donnée fondamentale pour l’analyse de cette vulnérabilité, et elle est fonction de nombreuses données d’entrée (position et nombre de câbles d’alimentation, impédances de charge terminales), peu précisément connues et très variables d’une installation à l’autre. Une approche stochastique est donc proposée pour estimer les incertitudes et leurs propagations dans un modèle de réseau électrique.

Rôle du liant cimentaire et du sable sur le comportement triaxial du béton sous fortes contraintes

Dans le cadre de ses activités pour la Défense, le CEA-Gramat développe des outils de modélisation pour évaluer la vulnérabilité d’infrastructures en béton armé aux impacts et explosions. La compréhension des mécanismes de dégradation du béton a` des niveaux de chargements extrêmes est donc d’importance majeure. En collaboration avec le CEA-Gramat, ces mécanismes sont étudiés par le laboratoire Sols Solides Structures et Risques de l’Université Grenoble-Alpes grâce à la presse triaxiale de très forte capacité « GIGA », unique dans le monde académique.
Plusieurs thèses en lien avec cette presse ont permis d’aboutir à des résultats majeurs montrant que, sous fort confinement, le béton a un comportement d’empilement granulaire non cohésif où l’eau libre joue un rôle prépondérant et la forme des plus gros granulats a peu d’influence.
Le comportement du béton serait donc contrôlé par la partie la plus fine du squelette granulaire du béton, point qui n’a encore jamais fait l’objet d’études.

Modélisation de la dynamique des faisceaux d’électrons dans les accélérateurs linéaires à induction

La Direction des Applications Militaires du CEA utilise la radiographie éclair pour « caractériser l’état de la matière soumise à des chocs forts ou à une densification importante sous l’effet d’explosifs ». Dans de telles conditions extrêmes, le succès des expériences de radiographie éclair nécessite des sources de rayonnement X impulsionnelles de faibles dimensions spatiales (quelques mm), brèves (environ 60 ns), fortement pénétrantes (quelques MeV) et intenses (plusieurs rads). De telles sources sont produites à partir du rayonnement de freinage créé par une impulsion brève et intense d'électrons (plusieurs kA) de haute énergie dans un matériau cible.

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