Méthodes pseudo-spectrales multiparticules pour les tubes à onde progressive : modèle et applications

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 multi fréquentiels dans les régimes non-linéaires ni aux phénomènes non-stationnaires. Dans cette dissertation, nous présentons le modèle hamiltonien 1-D multi particules 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