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Codes PIC (Particles-in-cell)

Ce type de code permet de suivre
l’évolution d’un plasma sur toutes ses échelles spatio-temporelles
caractéristiques (que cela soit celles de la population électronique ou
ionique). Pour ce faire, ions et électrons sont suivis comme des
particules individuelles dans un champ électromagnétique calculé de
manière auto-cohérente (équations de Maxwell). Nous n’avons donc pas de
limitation sur le domaine de fréquence ou de longueur d’onde. Son
principal « inconvénient » vient des limitations des ordinateurs et
super-calculateurs vectoriels et scalaires actuels, le suivi de millions
de particules (voir centaines de millions) nécessite des espaces
mémoires et des temps de calculs souvent prohibitifs. Ce problème peut
être contourné par l’utilisation de rapports de masse
(electrons-protons, ions-ions) irréalistes ainsi que des rapports de la
fréquence plasma sur la fréquence cyclotronique éloignés des mesures
obtenues expérimentalement, sans que cela ne soit une limitation de
principe. Ces codes sont utilisés principalement pour l’analyse des
processus à petites échelles essentiels au fonctionnement de régions
d’interfaces plasma où, en l’absence de collisions, des transferts
d’énergie complexes entre ondes électromagnétiques et particules
chargées ont lieu.

On peut répertorier principalement deux domaines
d’études importantes :

(i) l’étude des ondes de choc
non-collisionnelles.

Onde de choc

Composante principale du champ magnétique Bt au niveau d’une onde de choc supercritique plane. Cette vue 3-D met en évidence les fluctuations (instabilités de courants de champs croisés dans le domaine de fréquence hybride basse) présentent au niveau du front d’onde.

Cette frontière est le siège de processus
dispersifs et dissipatifs importants qui ne sont pas totalement compris
et dont l’importance sort du cadre de la physique purement astrophysique
car commune aux plasmas de fusion. Le LPP est leader dans cette étude
(code PIC spectral 1-D et 2-D), notre équipe ayant réussi à inclure de
façon auto-cohérente la courbure intrinsèque de cette onde d’étrave et
obtenu l’émergence d’un pré-choc observé expérimentalement.

L’étude de ces ondes de chocs nécessitent l’utilisation des domaines de simulation très grand afin de pouvoir y inclure toutes les échelles caractéristiques de ces structures, des plus petites (échelle caractéristique des électrons) aux plus grandes (échelle intrinsèque des ondes de choc ). Pour fixer les idées, ces échelles se répartissent pour le choc terrestre (onde d’étrave en amont de la Terre) de 10 mètres à plusieurs milliers de kilomètres, soit au moins 5 ordres de grandeurs. Les simulations dans de telle conditions nécessitent l’utilisation de supercalculateurs vectoriels tel que les SX8 du centre de calcul national de l’IDRIS, ou des fermes importantes de PC (clusters de machines massivement parallèles) que le LPP à constitué ces dernières années.

(ii) l’étude
des gaines plasmas ions-ions.

Ce type de plasma particulier s’observe
dans certaines décharges pulsées ou certaines interactions faisceau
plasma en présence d’un champ magnétique ainsi que dans les plasmas
poussiéreux et dans l’ionosphère. Son étude nécessite de comprendre son
évolution sous l’action d’un potentiel électrique imposé. Pour cette
étude un code PIC 1-D ions-ions a été développé (la
quasi-neutralité est assurée par les deux populations d’ions, l’une
positive et l’autre négative) et a permis d’observer la formation de
cette gaine et la réponse du plasma en réponse à ce potentiel.


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