Générateur compact de faisceaux paires electrons-positrons/muons-antimuons

###Contexte

Le contexte de ce sujet de thèse est celui des accélérateurs d’électrons laser-plasma, qui peuvent être obtenus en focalisant un laser de puissance dans un jet de gaz. Au foyer laser, le champ électrique est tellement intense qu’il ionise quasi-instantanément le milieu gazeux et forme un plasma sous-dense, au sein duquel l’impulsion laser peut se propager. Dans son sillage, cette impulsion excite des structures plasmas accélératrices pouvant soutenir des champs électrostatiques de l’ordre de 100GV/m. Au sein de ces structures, des électrons du plasma peuvent être piégés et accélérés à des énergies relativistes (quelques GeV) sur des distances centimétriques. Ces champs électrostatiques étant trois ordres de grandeurs supérieurs à ceux fournis par les cavités radiofréquences, les accélérateurs laser-plasma sont des candidats prometteurs pour miniaturiser les accélérateurs d’électrons afin : (i) de démocratiser leur usage à des applications existantes mais restreintes à quelques installations dans le monde et (ii) permettre de nouvelles applications de ces accélérateurs à des secteurs stratégiques clés (recherche fondamentale, industrie, médecine, défense).

Parmi les applications faisant l’objet d’une forte concurrence internationale, on note :

> L’utilisation de ces accélérateurs pour fournir la première machine de radiothérapie d’électrons à haute énergie (100MeV) pour les traitements médicaux

> L’utilisation de ces accélérateurs comme brique de base d’un futur grand collisionneur d’électrons/positrons au TeV pour la physique des hautes énergies

> L’utilisation de ces accélérateurs pour construire une source compacte et mobile de muons relativistes pour pouvoir réaliser de la tomographie de muons active. Un tel outil serait un atout majeur dans les secteurs de l’industrie (e.g., diagnostic de sécurité des réacteurs dans le nucléaire civile) et de la défense (non-prolifération). A noter que dans ces deux secteurs, l’agence DARPA américaine a déjà financé en 2022 un programme ambitieux (Muons for Science and Security, MuS2) afin de fournir un premier design conceptuel d’une machine à muons relativistes utilisant un accélérateur laser-plasma (cf. https://www.darpa.mil/news-events/2022-07-22)

###Enjeux

Afin de rendre possible les applications mentionnées précédemment, il faut lever d’importantes limitations des accélérateurs laser-plasma actuels. Une limitation importante est le peu de charge à haute énergie (100MeV à plusieurs GeV) fournie par ces accélérateurs. La cause physique derrière ce manque de charge provient principalement du fait que les techniques d’injection de charge actuelle reposent sur l’injection d’électrons depuis le gaz, qui est très peu dense en électrons. Afin de résoudre cette limitation, nous avons récemment proposé un nouveau concept d’injection à partir d’un système physique remarquable appelé miroir plasma. Ce concept est basé sur une cible hybride gaz-solide. Quand le laser à haute intensité interagit avec cette cible, il ionise complètement le solide et le gaz. La partie solide de la cible a une densité électronique tellement élevée qu’elle réfléchit le laser incident, en formant un “miroir plasma”. Dans la partie gazeuse de la cible, le laser se propage et génère des structures accélératrices comme dans les schémas conventionnels. Suite à la réflexion sur le miroir plasma, des jets d’électrons ultra-denses peuvent être précisément injectés dans les structures accélératrices formées par le laser réfléchi. Comme le solide peut fournir une charge beaucoup plus élevée que le gaz et que la charge est injectée à partir d’une région fortement localisée, ce schéma a le potentiel d’augmenter la charge accélérée tout en préservant la qualité du faisceau accéléré.
Le groupe PHI est à la pointe au niveau international dans l’étude et le contrôle de ces systèmes. En partenariat avec le LOA, nous avons démontré (à l’aide de lasers de classe 100 TW) que ce nouveau concept permet d’augmenter considérablement la charge dans ces accélérateurs tout en conservant la qualité du faisceau.

###Objectifs

Dans ce contexte, l’objectif 1 de la thèse sera de produire un accélérateur laser-plasma avec injecteur miroir plasma à plusieurs GeV sur des installations lasers de classe PetaWatt (type laser APOLLON). Avec un laser de classe PW, cet accélérateur laser-plasma devrait produire des faisceaux d’électrons de plusieurs 100pC à 4GeV avec une dispersion en énergie de quelques %. Une telle qualité de faisceau constituerait une avancée majeure dans le domaine.

L’objectif 2 sera ensuite d’envoyer ce faisceau d’électrons dans un convertisseur à haut Z pour produire des paires muons/anti-muons. Nos estimations montrent que l’on pourrait obtenir de l’ordre de 10^4 muons relativistes par tir, ce qui permettrait de fournir une radiographie de matériaux à haut Z en quelques minutes.

Ce sujet comporte à la fois des activités :

>Théoriques/numériques de modélisation à l’aide de notre code exascale WarpX (partie accélérateur laser-plasma) et du code Geant4 (partie convertisseur haut Z)

>Expérimentales (interaction laser-plasma à haute intensité, détection de muons relativistes).

Il implique plusieurs laboratoires partenaires :

>Le Laboratoire d’Optique Appliquée sur les expériences d’accélération laser-plasma (A. Leblanc),

>Le CEA-IRFU sur la partie détection (technologie micromegas, O. Limousin),

>Le Lawrence Berkeley National Lab sur la partie développement de code (WarpX).

En termes expérimental, nous utiliserons plusieurs installations laser :

>L’installation laser UHI100 pour la mise en place et le test de l’accélérateur plasma à puissance laser plus réduite,

>L’installation laser APOLLON pour la mise en place de l’accélérateur laser-plasma à puissance nominale (PW). Une première expérience implémentant le concept d’injecteur miroir plasma au PW est prévue en Mai 2024 en collaboration CEA-LOA. Suite à cette expérience, nous réaliserons ensuite une deuxième expérience (horizon 2025-2026) de production de muons sur APOLLON ou d’autres laser en Europe (dont les lasers ELI).

Extraction de la rugosité de flans de lignes avec une résolution sub-nanométrique

Dans le cadre du Chips Act européen, le CEA-Leti s’engage à accompagner la miniaturisation des composants de la microélectronique demandée pour les futurs nœuds technologiques. L’étude de la rugosité est devenue cruciale car des variations ‘négligeables par le passé’ de quelques Angströms devienne critique (quelques % d’erreur) sur des objets de taille inférieures à 7 nm.
Le doctorat s’axera principalement sur l’utilisation de la diffusion centrale de rayons X (CD-SAXS) pour définir la sensibilité de l’approche. Elle sera divisée en deux parties complémentaires: premièrement via des simulations à partir d’outils en cours de développement pour identifier l’impact de cette rugosité sur le signal expérimental et deuxièmement par la conduite de mesures expérimentales sur des échantillons spécialement au CEA-LETI avec des rugosités contrôlées. Les mesures de CD-SAXS seront effectuées sur l’équipement de laboratoire de la PFNC ainsi qu’aux synchrotrons (ESRF et NSLS-II). Ces résultats seront comparés avec ceux obtenus sur les équipements de métrologie en salle blanche du CEA-LETI, telles que les microscopies AFM-3D et CD-SEM.
Cette thèse se déroulera en partie sur la Plateforme de Nanocaractérisation du LETI qui offre l’un des plus grands ensembles de techniques d’analyse et de compétences en caractérisation physique et en partie avec les équipes de caractérisation salle blanche du CEA Grenoble.

Développement d’un modèle numérique d’imagerie par rayons x en contraste de phase et dark field

Depuis 2013, le CEA List (Université Paris Saclay), développe des méthodes d’imagerie par rayons X en contraste de phase, notamment par interférométrie à décalage multi latéral. En complément de l’information en absorption, le déphasage des rayons X apporte un contraste et une sensibilité supplémentaire sur l’image, notamment pour les matériaux de faible numéro atomique ou peu dense.
Diverses techniques ont été mises au point pour générer un contraste de phase, basées notamment sur l’ajout d’un modulateur d’intensité aléatoire ou régulier (grille d’interférence). En outre, l'imagerie dark field est apparue comme un signal complémentaire précieux en imagerie par contraste de phase. Le signal de dark field provient de la diffusion aux petits angles de structure fines de l'échantillon. Le signal dark field a notamment prouvé sa capacité à dévoiler des caractéristiques de l'échantillon qui restent invisibles par des moyens conventionnels. Il peut, par exemple, révéler les propriétés microstructurelles du poumon dans les cas de maladie pulmonaires obstructives chroniques.
La poursuite de ces développements passe par la mise en œuvre d’un modèle numérique produisant des images suffisamment précises et représentatives d’un système expérimental.
Le but de la thèse est le développement d’un modèle numérique prenant en compte les phénomènes de contraste de phase et de diffusion, notamment en s’abstenant d’une hypothèse classique de modélisation qui est la considération d’un objet infiniment fin (projected thickness). La non prise en compte de cette hypothèse sera à traiter pour pouvoir aller vers une imagerie de phase sur objet épais (par exemple un thorax). En règle générale, la modélisation d’une imagerie en contraste de phase s'appuie sur une description ondulatoire. En revanche, les phénomènes de diffusion sont habituellement simulés à l'aide d'une description particulaire, souvent en utilisant des techniques Monte Carlo. Dans cette étude, le développement d’un modèle combiné sera produit et validé expérimentalement.
La thèse s’effectuera au CEA List à Saclay dans un environnement comportant de fortes compétences numériques et expérimentales.

Méthodes pour réduire l'impact des incertitudes dans l'optimisation des systèmes énergétiques bas-carbone locaux

Les modèles d'optimisation des systèmes énergétiques (ESOM pour Energy System Optimization Models en anglais) sont des outils puissants pour améliorer la prise de décision dans la transition vers des systèmes énergétiques bas carbone.

Les résultats fournis par les ESOMs sont fortement influencés par les incertitudes sur les données, puisqu'ils sont considérés sur un horizon temporel futur. Par exemple, les évolutions possibles des prix de l'énergie, de la production et de la demande d'énergie ou de l'efficacité des technologies doivent être prise en compte. Bien que de nombreux travaux commencent ces dernières années à étudier l'impact de ces incertitudes sur les résultats, les simplifications de la modélisation peuvent induire des biais significatifs.

Le travail proposé dans ce nouveau sujet de doctorat vise à étudier la réponse d’un ESOM au cours des différentes étapes de conception d’un système énergétique, et à réduire l'impact de ces incertitudes le plus tôt possible dans le processus. On vise en particulier à limiter les biais liés à la simplification des modèles, en propageant systématiquement les informations pertinentes des modèles plus détaillés vers les modèles simplifiés. À cette fin, la voie actuellement envisagée consiste à exploiter des techniques telles que l'apprentissage automatique, et en particulier l'approche de l'apprentissage de contraintes (constraints learning), pour extraire des informations pertinentes de la simulation et les réinjecter dans les modèles d'optimisation simplifiés.

En conséquence, le travail devrait améliorer les méthodes actuellement utilisées pour concevoir et améliorer les systèmes énergétiques au niveau local, afin de favoriser les économies d'énergie et de limiter les émissions de CO2 ainsi que d'autres impacts sur l'environnement.

Modélisation et optimisation des transistors à base de matériaux 2D : couplage des simulations ab initio et TCAD

Les transistors à effet de champ utilisant des matériaux 2D semblent prometteurs en raison de leur bonne mobilité et de leur finesse atomique. Cependant, cette technologie doit surmonter plusieurs défis, notamment la réduction des résistances des contacts, le contrôle de la variabilité et l'optimisation des transistors à canaux courts (< 10 nm).
Le CEA-Leti a une forte activité expérimentale sur cette thématique de recherche. Un effort important a également été initié en simulation numérique, aussi bien à l’échelle du dispositif (TCAD) qu’à l’échelle atomique (simulation ab initio) pour accompagner le développement de cette technologie.

Le présent sujet de thèse s’inscrit dans cette dynamique et consiste à évaluer les performances des transistors à base de matériaux 2D en fonction des paramètres technologiques à l'aide de simulations multi-physiques qui permettront d’optimiser les performances de ces dispositifs avant leur fabrication. Les options technologiques (matériaux, géométrie) n’étant pas encore figées, le doctorant pourra explorer des axes innovants. Une partie de la thèse sera consacrée au couplage des simulations TCAD avec les calculs ab initio pour fournir une compréhension détaillée et fondamentale des caractéristiques structurales et électroniques du dispositif à l'échelle atomique.

Le laboratoire bénéficie d’un accès à des supercalculateurs et au différents logiciels nécessaires au projet (Sentaurus, VASP, GPAW, ..). Le doctorant pourra s’appuyer sur l’expertise de l’équipe dans les différentes techniques de simulation et sur les échanges réguliers avec les expérimentateurs.
Ce projet de thèse permettra de développer des compétences larges en simulation des dispositifs électroniques. Le doctorant présentera ses résultats dans des conférences et revues internationales.

Simulation de dynamique moléculaire du changement de phase dans les matériaux GeSbTe enrichis en Ge

L’objectif de cette thèse est d’étudier les changements de phase dans des alliages GST enrichis en Ge par le biais de simulations de dynamique moléculaire (MD) avec es potentiels interatomiques basés sur des réseaux de neurones à graphe équivariants. Le(la) candidat(e) sera amené(e) à entrainer un modèle sur des calculs ab initio de référence sur des matériaux GST enrichis en Ge afin de décrire les phases amorphes et cristallines. Le potentiel sera ensuite utilisé afin de calculer des propriétés thermodynamiques et cinétiques des transitions de phase. Dans un deuxième temps, des développements complémentaires seront menés afin d’inclure l’impact des impuretés et d’un champ électrique sur le changement de phase. Finalement les simulations de MD seront utilisées pour calculer des paramètres physiques afin d’améliorer un modèle mésoscopique basé sur la méthode du champ de phase.

Modélisation de la dégradation de la couche catalytique des piles à combustible

La durée de vie des piles à combustible est un des facteurs limitant à leur déploiement à grande échelle. Une bonne compréhension et appréhension des mécanismes liés à la dégradation des matériaux est une étape nécessaire pour le développement de ces solutions, en particulier la dégradation du catalyseur.
Nous proposons le développement d’un modèle complet couplant l’ensemble des phénomènes nécessaires à la simulation de la dégradation du catalyseur lors de cyclage en potentiel représentatifs de l'utilisation de la pile. Des études sur l’effet de la fréquence et de l’amplitude des cycles permettront la définition d’une expérience de validation.
Un premier modèle de dégradation existant est à valider, puis sera couplé à un modèle d’oxydation. Nous étudierons aussi la pertinence/nécessité de prendre en compte d’autres chemins réactionnels. Le modèle complet sera implémenté dans un modèle 2D capable de simuler des cellules représentatives d’une pile à combustible opérationnelle.
Le sujet est donc principalement en simulation numérique avec une composante expérimentale. La thèse sera dirigée et accompagnée par trois experts respectivement en électrochimie, simulation numérique et expériences sur les piles à combustible, et menée au sein d'un laboratoire dédié à la simulation des piles à combustible et batteries.

Stratégies performantes d'exploitation de données massives issues de simulations numériques

Le Département Simulation et Garantie des Armes du CEA/CESTA élabore des modèles physico-numériques multi-physiques, multi-échelles et développe des codes de calcul dans les domaines de l'aérodynamique hypersonique, de l'électromagnétisme et de la dynamique rapide. Ces développements bénéficient des approches les plus modernes du génie logiciel et sont conduits dans le contexte du calcul haute performance afin de tirer le meilleur parti des supercalculateurs de la DAM.
La quantité et le rythme de production grandissants des données issues de simulations nous obligent à repenser la façon dont leur analyse est conduite. Le simple traitement des données écrites sur disque n'est plus possible, tant par la taille de ces dernières que par la capacité de les charger en mémoire avec les outils traditionnels.
Dnas ce contexte, comment analyser les volumes de données massifs générés ? Quelles peuvent être les statégies à mettre en place avant, pendant et après la simulation ?
Des nouveaux usages apparaissent dans le paysage du HPC pouvant y répondre [1], avec l'introduction progressive des techniques d'intelligence artificielle comme bases d'apprentissage, ou encore l'analyse in transit pour visualiser des données en même temps qu'elles sont produites. L'enrichissement des simulations par les données permettra d'obtenir des gains en temps et en précision.

On se propose donc dans cette thèse d'employer une nouvelle approche, orienté HPDA (High Performance Data Analytics), dans laquelle des structures de données du type RDD (Resilient Distributed Dataset) [3] pourront jouer un rôle central pour le traitement non seulement post mortem mais surtout in transit des données produites par la simulation. L'association de ces structures avec des pipelines de données [2] sera à évaluer pour disposer d'un ensemble HPC/HPDA cohérent.
Un des domaines ciblés est la rentrée atmosphérique et plus particulièrement le couplage et l'interopérabilité avec les codes 3D d'aérodynamique utilisés au département. Parmi les applications potentielles font partie l'analyse d'ensembles de calcul sur des simulations de trajectoires de rentrée ainsi que l'exploration des données produites (plusieurs centaines de Go à plusieurs To). Pour répondre à ces enjeux, les étapes de travail seront les suivantes:
1. la première phase du travail consistera à établir l'état de l'art en termes d'outils et de méthodes pour le HPDA,
2. une seconde étape consistera à mettre en œuvre une solution interopérable basée sur ces outils et potentiellement d'autres,
3. finalement, des analyses de données existantes seront portées vers cette solution pour permette de comparer les différentes approches offertes en terme d'expressivité, de performance, etc. sur des cas réalistes.

Développement d'une architecture de caméra plenoptique infrarouge non refroidie

La plenoptique dite basse-résolution se généralise dans les imageurs visibles pour des applications tel que l’autofocus, le post-traitement d’image et parfois l’estimation de profondeur. Son principe repose sur l’association de trois éléments principaux, un réseau de microlentille de dimension pixelliques, un plan focal de détection et des algorithmes de reconstruction. Nous souhaitons évaluer à travers cette thèse la possibilité de réaliser une telle fonction plenoptique dans la gamme infrarouge pour des technologies de détecteurs non refroidies (micro-bolomètre)

Au sein de notre laboratoire de 25 personnes, mêlant des métiers de conception/simulations, de fabrication et de caractérisations d’imageurs micro-bolomètres, en tant que doctorant, votre rôle consistera à :
- Etablir les spécifications préliminaires de microlentilles adaptés à nos détecteurs et au besoin applicatif de l’autofocus.
- Concevoir et simuler le comportement de ces micro-optiques et proposer des designs originaux en solution réfractive ou bien en méta-surface
- Réaliser ou faire réaliser ces micro-optiques après avoir évaluer la faisabilité de ces designs en partenariat avec les personnes en charge de la fabrication
- Implémenter un algorithme de reconstruction existant et qui sera identifié dans la littérature
- Caractériser les micro-optiques sur un banc dédié et réaliser une preuve de principe en couplant ces dernières avec un plan focal micro-bolométrique.

Pour mener à bien ces missions, vous serez pour cela intégré au sein du laboratoire LI2T où vous pourrez échanger avec les différentes personnes afin de vous afin de vous familiariser avec les technologies micro bolomètres et où vous aurez accès aux ressources de calcul du CEA Leti.

Vous êtes titulaire d’un Diplôme d’Ingénieur, dans le domaine de l’optique ou du traitement d’image et avez une appétence pour la simulation numérique des composants. Les principales compétences techniques souhaitées sont:# Maitrise des lois de l’optique et de l’électromagnétisme ; # Maitrise d’un langage de programmation (Python et/ou Matlab) ; # Des notions sur les méthodes numériques de simulations (FEM, RCWA, …) adaptées à l’électromagnétisme sont un plus. Vous êtes reconnu(e) pour : votre curiosité et votre envie de creuser les choses, votre dynamisme et votre capacité à être force de proposition.

Schéma décalé pour les équations de Navier-Stokes avec des mailles de forme générale

La simulation des équations de Navier-Stokes demande de disposer de méthodes numériques précises et robustes prenant en compte des opérateurs de diffusions, des termes de gradient et de convection. Les approches opérationnelles ont montré leur efficacité sur des simplexes. Cependant, dans certaines modélisations ou certains codes (TrioCFD, Flica5), il peut être utile d’améliorer localement la précision des solutions à l’aide d’un estimateur d’erreur ou bien de prendre en compte des mailles de forme générale.
Rappelons que nous nous intéressons ici à des schémas décalés. Cela signifie que la pression est calculée au centre des mailles et les vitesses sur les arêtes (ou les faces) du maillage. On obtient alors des méthodes naturellement précises à bas nombre de Mach.
De nouveaux schémas ont été présentés récemment dans ce contexte et ont montré leur robustesse et leur précision. Cependant, ces discrétisations peuvent être très coûteuses en place mémoire et en temps calcul en comparaison aux schémas MAC sur des maillages réguliers.
Nous nous intéressons aux méthodes de type « gradient ». Certaines d’entre elles reposent sur une formulation variationnelle avec des inconnues de pression aux centres des mailles et des inconnues de vecteur vitesse sur les arêtes (ou les faces) des cellules. Cette approche a montré son efficacité, particulièrement en termes de robustesse.
Notons également qu’un algorithme avec les mêmes degrés de libertés que les méthodes MAC a été proposé et donne des résultats prometteurs.
L’idée serait donc de combiner ces deux approches, à savoir la méthode « gradient » avec les mêmes degrés de libertés que les méthodes MAC. Dans un premier temps, on s’attachera à retrouver les schémas MAC sur les maillages réguliers. Des questions fondamentales doivent être examinées dans le cas de maillages généraux : stabilité, consistance, conditionnement du système à inverser, verrouillage numérique.
On pourra également essayer de retrouver les gains en précisions obtenus à l’aide des méthodes pour discrétiser les gradients de pression.
Au cours de la thèse, on prendra le temps de régler les problèmes de fond de cette méthode (première et seconde année), à la fois sur les aspects théoriques et sur la mise en oeuvre informatique. Cette dernière pourra être effectuée dans les environnements de développement Castem, TrioCFD, Trust ou POLYMAC. On s’intéressera alors aux cas d’application représentatifs de la communauté.

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