Étude théorique et numérique de l'expansion dans le vide d'un plasma créé par laser : cas d'une fonction de distribution des électrons bi-Maxwellienne - TEL - Thèses en ligne Access content directly
Theses Year : 2013

Theoretical and numerical study of plasma expansion as driven by ultra-high intensity lasers : case of a two-temperature electron distribution function

Étude théorique et numérique de l'expansion dans le vide d'un plasma créé par laser : cas d'une fonction de distribution des électrons bi-Maxwellienne

Abdourahmane Diaw
  • Function : Author
  • PersonId : 937077

Abstract

A comprehensive theory is developed to describe the expansion of a plasma into vacuum with a two-temperature electron distribution function (a " cold " and a " hot " electron population). In the first part, the characteristics (amplitude, position, microscopic structure, etc.) of the rarefaction shock which occurs in the plasma when the hot- to the cold-electron temperature ratio is larger than 9.9 are investigated with a semi-infinite plasma; i.e., an infinite source of particles and energy. Asymptotic expressions of the quantities of the flow are established in the limit of large temperature ratios. The behavior of the plasma structure is specified for different regimes of flow. The effects of the rarefaction shock on the ion acceleration are briefly discussed. The numerical simulations performed with a 1-D hybrid code are compared to the results of the analytical model. In the second part, we study the expansion into a vacuum of a thin-foil with a 1-D kinetic code. Conversely to the semi-infinite model, the electron distribution function does no stay bi-Maxwellian in time, but its dynamic is governed by Vlasov equation. The results of this code are used to explain the heating of the cold electrons, for a sufficiently large hot- to cold-electron density ratio. An expression of the cold temperature, during the acceleration of the rarefaction wave towards the center of the foil, is established. The maximum temperature gain is estimated in terms of the initial plasma parameters. For low values of the hot- to cold-electron density ratio, we evidence a global cooling of electrons over different time scales and then a reduction of the effective amplitude of the rarefaction shock.
Cette thèse constitue une étude théorique et numérique de la détente d'un plasma dans le vide. Elle fournit une compréhension globale des mécanismes d'expansion de plasmas avec une fonction de distribution des électrons bi-Maxwellienne (avec une température d'électrons " chaude " et une température " froide "). Dans la première partie, on étudie les caractéristiques (amplitude, position, structure microscopique, etc) du choc de raréfaction qui apparaît dans le plasma si le rapport des températures chaude et froide est supérieure à 9.9. Cette étude est réalisée avec un modèle semi-infini; le plasma est une source infinie de particules et d'énergie. Les expressions analytiques des grandeurs de l'écoulement sont établies. Le comportement de la structure du plasma pour les différents régimes d'expansion est précisé. Les effets du choc de raréfaction sur l'accélération des ions sont brièvement étudiés. Les simulations numériques effectuées avec un code hybride 1-D sont comparés aux résultats du modèle analytique. Dans la seconde partie, on évoque l'expansion d'une feuille mince avec un code cinétique unidimensionnel. Contrairement au modèle de plasma semi-infini, la fonction de distribution des électrons n'est pas maintenue Maxwellienne dans le temps, mais sa dynamique est gouvernée par l'équation de Vlasov. Cette description permet de tenir compte des transferts d'énergie entre les composantes chaude, froide et les ions. Les résultats de ce code sont utilisés pour comprendre le chauffage initial des électrons froids qui se produit dans les plasmas dominés initialement par les électrons chauds. Une expression de la température froide au cours de l'accélération de l'onde de raréfaction est établie. Pour un plasma avec des paramètres initiaux similaires à ceux obtenus lors de l'interaction d'une impulsion laser ultra-intense avec une cible, on met en évidence un refroidissement global des électrons sur des échelles de temps différentes, puis une réduction de l'amplitude du choc de raréfaction (et du creusement du spectre des ions).
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Dates and versions

pastel-00789762 , version 1 (18-02-2013)

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  • HAL Id : pastel-00789762 , version 1

Cite

Abdourahmane Diaw. Étude théorique et numérique de l'expansion dans le vide d'un plasma créé par laser : cas d'une fonction de distribution des électrons bi-Maxwellienne. Physique des plasmas [physics.plasm-ph]. Ecole Polytechnique X, 2013. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00789762⟩
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