Modeling of atomic physics and radiation transport in a particle-in-cell code
Modélisation de la physique atomique et du transport radiatif dans un code particle-in-cell
Résumé
High energy density matter is at the heart of many physical systems such as stellar plasmas or fusion plasmas, for example. The best way to recreate these extreme conditions in the laboratory is to use ultra-high intensity lasers (10¹⁷⁻²³ W/cm²) with ultrashort pulses (~ ten of femtoseconds). The study of the rich and complex physics resulting from these interaction systems requires the use of numerical simulation. The particle-in-cell (PIC) codes are particularly suitable tools for these spatial (~ nm) and temporal (~ fs) scales. However, in their original formulation, they do not allow inter-particle interactions to be taken into account, thus leading to neglect atomic physics processes and radiative transport. This observation led to their coupling with Monte Carlo (MC) algorithms, often based on the estimation of the cross section of the considered process. Although this contribution allowed to integrate a certain number of processes into the main PIC codes, the latter often present partial description of atomic physics, in particular for high density plasmas (ni > 10²² cm⁻³) and moderate temperature (Te < 1 keV). To overcome this defect, we propose a PIC-MC model of atomic and radiative physics including: (i) the lowering of ionization potentials due to density effects; (ii) the collisional ionization resolved on the atomic fine structure; (iii) the three-body recombination; (iv) the atomic de-excitation by cascade based on instantaneous (radiative and Auger) emission tables; (v) the photoionization; (vi) the radiative recombination; (vii) the Compton scattering. The effect of these processes will be illustrated in the CALDER code, developed at CEA/DAM, in the context of out-of-equilibrium plasmas undergoing thermalization or in the interaction of solid aluminum targets with ultra-high intensity lasers or X photonic beams such as those emitted by free-electron lasers.
La matière à haute densité d'énergie est au coeur de nombreux systèmes physiques tels que les plasmas stellaires ou les plasmas de fusion, par exemple. Le meilleur moyen de recréer ces conditions extrêmes en laboratoire est l'utilisation de lasers d'ultra-haute intensité (10¹⁷⁻²³ W/cm²) présentant des impulsions ultracourtes (~ dizaine de femtosecondes). L'étude de la physique riche et complexe qui découle de ces systèmes d'interaction nécessite de faire appel à la simulation numérique. Les codes de type particle-in-cell (PIC) sont des outils particulièrement adaptés à ces échelles spatiale (~ nm) et temporelle (~ fs). Cependant, ils ne permettent pas, dans leur formulation originelle, de prendre en compte les interactions inter-particules, les amenant donc à négliger les processus de physique atomique ou le transport radiatif. Ce constat a mené à leur couplage avec des algorithmes de type Monte Carlo (MC), souvent basés sur l'estimation de la section efficace du processus considéré. Bien que cet apport ait permis d'intégrer un certain nombre de processus dans les principaux codes PIC, ces derniers présentent une description souvent partielle de la physique atomique, en particulier pour les plasmas à forte densité (ni > 10²² cm⁻³) et de température modérée (Te < 1 keV). Pour pallier ce défaut, nous proposons un modèle PIC-MC de physique atomique et radiative comprenant : (i) l'abaissement des potentiels d'ionisation dû aux effets de densité ; (ii) l'ionisation collisionnelle résolue sur la structure atomique fine ; (iii) la recombinaison à trois corps ; (iv) la désexcitation atomique par cascade basée sur des tables d'émission (radiative et Auger) instantanée ; (v) la photoionisation ; (vi) la recombinaison radiative ; (vii) la diffusion Compton. L'effet de ces processus sera illustré dans le code CALDER, développé au CEA/DAM, dans des contextes de plasmas hors-équilibre en cours de thermalisation ou encore dans l'interaction de cibles solides d'Aluminium avec des lasers d'ultra-haute intensité ou des faisceaux photoniques X tels que ceux issus des lasers à électrons libres.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
|---|