Soutenance de thèse de Khalil ALIANE

L’interaction onde-faisceau à l’origine de l’amplification dans les tubes à onde progressive (TOP) fait intervenir des structures de propagation complexes à modéliser et un nombre de particules considérable. Pour cela, les modèles multiparticules en domaine temps à l’instar des codes Particle-In-Cell sont souvent délaissés au profit de modèles fréquentiels bien plus rapides. Pourtant, ces derniers souffrent d’une modélisation moins exhaustive, et ne permettent pas d’accéder aux phénomènes multifréquentiels dans les régimes non-linéaires ni aux phénomènes non-stationnaires. Dans cette dissertation, nous présentons le modèle hamiltonien 1-D multiparticules en domaine temps DIMOHA qui offre une modélisation plus fidèle de l’interaction onde-faisceau, tout en assurant des temps de simulation raisonnables. Pour cela, DIMOHA se base sur une discrétisation ingénieuse des champs électromagnétiques, tirant profit de la périodicité des structures de propagation pour réduire considérablement le nombre de degrés de liberté. Nous plaçons DIMOHA dans la famille des modèles pseudo-spectraux en le comparant à un modèle similaire, RUBEUS. Nous montrons les avantages de DIMOHA qui, contrairement à RUBEUS, permet de modéliser des tubes à taper, i.e. où la périodicité est brisée, et nous proposons une extension de RUBEUS à ce type de tubes. Nous appliquons notre modèle au problème multi-fréquentiel de l’amplification de pulses ultracourts dans un tube expérimental. Les résultats des simulations DIMOHA sont comparés à ceux d’autres modèles dont RUBEUS, ainsi qu’aux mesures. Un très bon accord avec les mesures est obtenu pour les petits signaux. Pour les grands signaux, DIMOHA et RUBEUS reproduisent les mêmes écarts avec les mesures. Nous nous intéressons également aux effets des réflexions sur la dynamique du tube à onde progressive, en particulier les oscillations de la puissance RF en fonction de la fréquence. Nous montrons que DIMOHA offre une modélisation simple et naturelle des réflexions, et nous validons les simulations en les confrontant à des mesures réalisées à THALES Vélizy, où un tube à onde progressive à taux de réflexion variable est réalisé en utilisant un guide d’onde percé et une sonde métallique. Enfin, nous explorons les possibilités de DIMOHA au-delà des amplificateurs en l’appliquant à deux problèmes bien différents : l’instabilité faisceau-plasma, en modélisant un tube métrique spécialement conçu pour reproduire ce phénomène non-linéaire, et l’accélération de protons par laser via la technique TNSA. Nous montrons ainsi la flexibilité et la polyvalence de DIMOHA, en notant toutefois qu’une généralisation en trois dimensions est peut-être nécessaire pour les problèmes où la charge d’espace est très importante.

The beam-wave interaction occurring in the traveling wave tube and at the heart of the radiofrequency amplification, involves various propagation structures with complex geometries and large numbers of particles. For this very reason, fast and compact frequency models are often preferred to more exhaustive time domain models such as the Particle-In-Cell algorithms (PIC). Nevertheless, in doing so, we renounce a significant range of non-linear multifrequency and non-stationary phenomena. In this thesis, we present DIMOHA, a 1-D multiparticle time domain Hamiltonian model that offers to reconstruct the physics more accurately while maintaining reasonable simulation costs. To achieve this, DIMOHA uses a peculiar electromagnetic fields discretization, which capitalizes on the periodicity of the propagation structures to reduce considerably the number of degrees of freedom involved to describe the fields. We discuss this method within the broader family of pseudo-spectral methods by comparing DIMOHA to a similar model, RUBEUS. We emphasize DIMOHA’s specific ability to simulate tapered, i.e. non-periodic traveling wave tubes, and we propose to extend it to RUBEUS’s initial scheme. We apply our model to the study of the amplification of multifrequency ultrashort pulses in an experimental traveling wave tube. DIMOHA’s simulation results are compared with measurements and with other codes among which RUBEUS. We observe good agreement between DIMOHA and RUBEUS simulations and measurements for small signals, while both models diverge from experiments for large pulses. Moreover, we inspect, using DIMOHA, the effects of reflections on the dynamics of the traveling wave tube, in particular the output power ripple. We display DIMOHA’s simple frame for incorporating reflections, and validate our simulations against measurements realized at THALES Vélizy, where a tube with varying levels of reflections was achieved by using a perforated rectangular waveguide and a metallic probe. Lastly, we explore DIMOHA’s usability beyond the realm of amplificators by studying two distinct problems: the plasma-beam instability by simulating a metric tube conceived specifically to mimic this phenomenon, and the acceleration of protons by laser via the TNSA method. We thus demonstrate DIMOHA’s flexibility and versatility, while acknowledging its shortcomings, particularly when large space charge fields are involved and where a tridimensional generalization might be needed.