Modeling of atomic physics and radiation transport in a particle-in-cell code

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 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