Dans le cadre du projet Laser Mégajoule, la cible de fusion par confinement inertiel, remplie d’un mélange de deuterium-tritium, libérera une grande variété de rayonnements, comme des rayons X et gamma ainsi que des neutrons. Les premiers étant rapidement suivis par les seconds, les détecteurs chargés d’enregistrer les signaux expérimentaux devront avoir une résolution temporelle de l’ordre de la nanoseconde. Les systèmes de détection basés sur la conversion du rayonnement X vers le visible doivent éviter le rayonnement parasite Cerenkov induit par le passage des particules chargées au sein même du détecteur ; en effet, ce rayonnement émet dans le bleu et rend impossible l’utilisation d’instruments dans cette gamme spectrale. D’où le besoin de nouveaux scintillateurs plastiques à temps de réponse rapide, émettant dans le rouge avec un rendement lumineux suffisant.

Les capteurs d’images CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) sont des composants électroniques utilisés pour de nombreuses applications scientifiques, telles que l’observation spatiale ou les expériences de fusion nucléaire. Ces capteurs d’images ont vu leurs performances démultipliées ces dernières années grâce aux avancées incessantes de la microélectronique, et présentent des avantages indéniables (polyvalence, mise en oeuvre simplifiée, consommation réduite, etc.) qui les destinent à remplacer les CCD (Coupled Charge Devices). Certains instruments d’observation spatiale, comme le futur rover d’exploration martienne qui sera lancé en 2020, en sont déjà équipés. Toutefois, en environnement spatial ou nucléaire, ces imageurs sont soumis à des flux de particules pouvant rapidement dégrader leurs performances électro-optiques. Ce travail cherche à comprendre la nature des défauts cristallins formés dans les capteurs d’images CMOS lorsqu’ils sont exposés à des neutrons de fusion nucléaire sur les installations Laser Mégajoule ou ITER, ou à des protons de haute énergie dans l’espace.

Cet article s’intéresse au problème de la diffraction, en régime linéaire et harmonique, d’une onde électromagnétique par un objet tridimensionnel comportant des matériaux inhomogènes. Lorsque les dimensions de l’objet sont grandes devant la longueur d’onde incidente, la discrétisation numérique des équations de Maxwell conduit à un système linéaire de très grande taille. Celui-ci peut être résolu à l’aide d’une méthode de décomposition de domaines. Les résultats numériques obtenus avec un code parallèle, porté sur le supercalculateur TERA 1000 du CEA – DAM, montrent que cette méthode peut permettre la résolution précise de problèmes comportant des dizaines de millions d’inconnues.

L’étude de la sensibilité radiative de technologies électroniques intégrées nécessite une simulation toujours plus détaillée des dépôts d’énergie ionisante. Les codes de transport actuels étant inadaptés, nous avons développé de nouveaux modèles permettant de suivre pas à pas des électrons de quelques eV dans le silicium, afin d’atteindre une précision nanométrique sur la forme des dépôts d’énergie, à l’échelle des composants électroniques actuels.

Les satellites sont constamment mis en danger par des électrons énergétiques issus du Soleil et piégés par le champ magnétique terrestre dans les ceintures de radiation. Des ondes électromagnétiques naturelles permettent de précipiter ces électrons dans l’atmosphère, limitant les risques pour les satellites et produisant des aurores boréales. Une analyse de dix ans de mesures d’ondes par les satellites européens Cluster a permis de révéler que 50 % de l’énergie totale était concentrée dans des ondes très obliques auparavant négligées. Ces dernières apparaissent à présent comme un élément crucial dans la redistribution de l’énergie au sein des ceintures de radiation en fonction de l’activité solaire.

Les expériences avec des lasers de haute puissance sont susceptibles de générer des émissions électromagnétiques très intenses qui peuvent nuire au fonctionnement de l’installation. Après l'identification de la source principale de ces impulsions électromagnétiques, une chaîne de simulation 3D a été construite pour calculer l’environnement électromagnétique produit par une expérience PETAL (Pétawatt Aquitaine Laser) dans la chambre du Laser Mégajoule (LMJ). Cet outil de calcul permet aussi de concevoir des dispositifs de parade pour réduire la génération de ces impulsions.

Tant en régime micro-ondes que dans le domaine de l’optique ou de l’infrarouge, l’engouement suscité par les métamatériaux a ravivé la délicate question de l’homogénéisation des paramètres constitutifs en électromagnétisme. Une approche numérique de grande précision est proposée pour étudier la diffraction par des objets 3D fortement hétérogènes, sous des hypothèses mettant en défaut les règles usuelles de détermination de paramètres équivalents. Outre des résultats intéressants d’annulation de surface équivalent radar (SER), cette approche constitue un puissant outil d’analyse permettant en particulier de statuer sur le caractère « homogénéisable » ou non d’un milieu quelconque.

Le développement de nouvelles applications dans le domaine des armes à énergie dirigée électromagnétiques (AED EM), des radars ou de la guerre électronique, impose l’étude de nouvelles antennes, de plus en plus contraintes notamment au niveau de la gestion de leur diagramme de rayonnement et de leur largeur de bande passante. Les travaux présentés dans cet article s’inscrivent dans cette démarche d’innovation. Ils fournissent un exemple de développement d’antenne large bande compacte orientée vers ces nouveaux besoins.

L’étude de la sensibilité radiative de technologies électroniques intégrées nécessite une simulation toujours plus détaillée des dépôts d’énergie ionisante. Les codes de transport actuels étant inadaptés, nous avons développé de nouveaux modèles permettant de suivre pas à pas des électrons de quelques eV dans le silicium, afin d’atteindre une précision nanométrique sur la forme des dépôts d’énergie, à l’échelle des composants électroniques actuels.

Grâce à leur grande compacité et aux caractéristiques uniques des faisceaux d’électrons qu’ils génèrent, les accélérateurs laser-plasma sont envisagés pour de nombreuses applications, comme la production de rayons X pour la radiographie dans des contextes industriel ou biomédical. Cependant, afin de contrôler les propriétés des faisceaux accélérés avec une précision suffisante pour les applications, il est important de bien maîtriser l’injection initiale des électrons dans la structure accélératrice, appelée onde de sillage, qui est créée lors de l’interaction laser-plasma. Deux études récentes réalisées en collaboration avec le LOA ont permis d’une part d’améliorer la compréhension des mécanismes d’injection, et d’autre part de proposer de nouvelles techniques d’injection. Ces résultats ouvrent la voie à la production de faisceaux plus reproductibles et de meilleure qualité.

L’installation SPHINX du CEA Gramat est un générateur de haute puissance pulsée de la classe 6 MA, 1μs, principalement dédié à la production de rayonnement X pour les études de durcissement de systèmes stratégiques. Dans ce mode de fonctionnement, l’impulsion de courant permet l’implosion d’une colonne de plasma par striction magnétique (Z-pinch). Cet article présente une nouvelle configuration où le champ magnétique créé par l’impulsion de courant génère la compression quasi-isentropique d’un tube métallique (liner). Pour optimiser ce régime de fonctionnement, l’impulsion de courant est mise en forme par un dispositif compact, logé sous vide en sortie du générateur. Ce dispositif, nommé DLCM (pour « Dynamic Load Current Multiplier ») est décrit. Une synthèse des résultats issus d’une série de tirs réalisés sur un liner cylindrique en aluminium est présentée.

Sous certaines conditions d’agression, les circuits électroniques comportant des composants non linéaires peuvent basculer dans un comportement chaotique. Pour des applications de défense, de type brouillage offensif, celui-ci peut être recherché afin de provoquer le dysfonctionnement intentionnel des systèmes. Dans le cadre de cette étude, nous nous sommes intéressés au cas particulier d'un étage d'entrée de récepteur de communications muni d'un circuit limiteur à diodes. Nous avons déterminé les paramètres de l’agression électromagnétique capable de provoquer l'apparition de signaux chaotiques lors de l’illumination de l’antenne. Ce phénomène
a été analysé, modélisé et vérifié expérimentalement.

Les études portant sur les effets des impulsions électriques sur le vivant connaissent aujourd’hui un regain d’intérêt car elles laissent entrevoir de nouvelles potentialités pour la manipulation des objets biologiques, notamment pour les applications au traitement du cancer. Des travaux récents conduits sur des impulsions très brèves, dites "nano-impulsions", ont permis une meilleure compréhension des mécanismes d'interactions avec
les cellules et ont conduit à l'obtention de nouveaux résultats sur la valeur des paramètres déclenchant le phénomène d’électroporation. Cet aspect du bio-électromagnétisme intéresse corrélativement la Défense, en terme de seuils d'innocuité sur les personnels, du fait de l’émergence de systèmes d'armes de type radar rayonnant des ondes électromagnétiques en très haute fréquence.

Le CEA - Gramat a conçu et mis au point un système unique et original pour la production de rayonnements X intenses dans la gamme spectrale du keV. Ces travaux comprennent le développement du générateur de Hautes puissances pulsées (HPP) SPHINX et des sources rayonnantes Z-pinch associées. Le moyen SPHINX est la seule machine Z-pinch au monde conçue à partir de la technologie LTD (Linear Transformer Driver), et délivre une impulsion de courant de 8 MA en 1 μs, soit un temps de montée 10 fois plus long que les machines Z-pinch employées jusqu’alors. Cet aspect a nécessité une démarche systématique de caractérisation et d’optimisation du couplage générateur-charge Z-pinch. Le présent article présente les différentes étapes de cette démarche d’optimisation et donne les performances obtenues.

En raison des forts champs électrostatiques qu’ils peuvent supporter, les plasmas sont des milieux de choix pour réaliser des accélérateurs de particules extrêmement compacts. La méthode du « sillage laser » consiste à utiliser une impulsion laser courte et intense pour exciter une onde électrostatique dans un plasma de très basse densité. Les champs accélérateurs ainsi créés peuvent atteindre 100 GV/m – à peu près quatre ordres de grandeur de plus que dans les cavités accélératrices conventionnelles ! Pour accélérer de la sorte un faisceau électronique de bonne qualité (forte charge, faible dispersion en énergie, faible émittance, bonne stabilité...), encore faut-il être capable « d’injecter » les électrons dans le champ de sillage avec une grande précision. Les travaux expérimentaux conduits au Laboratoire d’Optique Appliquée (LOA) et les modèles numériques développés au CEA - DAM Île-de-France ont permis de réaliser des progrès significatifs dans ce domaine au cours des dernières années.

Pour les besoins de ses programmes, le CEA-DAM développe des sources de rayonnement X couvrant une large plage d’énergie de photons, du keV au multi-MeV, en privilégiant, selon les applications, la monochromaticité, la brièveté, l’intensité ou la faible taille des sources. Celles-ci peuvent être utilisées pour des expériences de radiographie, de diffusion ou de diffraction sur différents types de cibles, depuis des matériaux choqués par explosif jusqu’aux cibles plasma du futur Laser Mégajoule. Plusieurs schémas de cibles sont à l’étude, reposant soit sur le rayonnement émis dans une cible de conversion par un faisceau d’électrons énergétiques, soit sur l’émission thermique d’un plasma chauffé.

Dès la phase de conception du LMJ en 1993, la prise en compte de la vulnérabilité des diagnostics plasma qui seront fortement irradiés lors des expériences de fusion a été au cœur de notre démarche de conception. Des salles blindées, réalisées dans le bâtiment LMJ à proximité du plasma et n’ayant pas d’équivalent sur l’installation NIF (National Ignition Facility, USA), ainsi que des études de déport et de protections spécifiques, permettront d’effectuer des mesures directes sur les premiers plasmas thermonucléaires.

Afin de caractériser finement l’évolution spatiale et temporelle des plasmas créés par laser sur la LIL, quatre diagnostics d’imagerie X originaux ont été développés. Ils sont constitués d’un microscope à miroirs qui forme une ou plusieurs images du plasma sur la face d’entrée d’une caméra ultra-rapide. Ces microscopes sont conçus selon le principe de Kirkpatrick-Baez qui associe des couples de miroirs sphériques croisés. Les diagnostics d’imagerie présentés ici ont fournis de nombreux résultats sur diverses expériences réalisées avec la Ligne d’Intégration Laser (LIL). Un exemple sur la formation d’un jet de plasma est présenté.

Depuis le milieu des années 80, avec le développement de l’ampli fication d’impulsions lasers à dérive de fréquence, les chercheurs sont capables de soumettre la matière à des champs électromagnétiques de plus en plus intenses, sur des temps extrêmement brefs, de l’ordre d’une trentaine de femtosecondes. Soumise à un tel éclairement, la surface de toute cible matérielle est immédiatement ionisée et transformée en plasma dans lequel l’impulsion incidente va être partiellement absorbée. Les mécanismes physiques responsables de cette absorption conduisent à l’accélération d’électrons et d’ions du plasma jusqu’à des énergies cinétiques de plusieurs dizaines de MeV. Ces faisceaux de particules très intenses peuvent avoir plusieurs applications intéressantes.

L’interaction de particules radiatives avec les composants à semi- conducteur génère localement des charges parasites, soit par interaction directe avec le cortège électronique dans le cas des ions lourds, soit par l’intermédiaire d’interactions nucléaires typiquement induites par des neutrons ou des protons. Les charges parasites générées dans le semi-conducteur sont ensuite collectées par les zones de champ des transistors élémentaires, et peuvent se traduire par des perturbations électriques dans les circuits. Typiquement, ces charges sont susceptibles d’induire des changements d’état logiques dans les cellules mémoires, ou des signaux parasites qui se propagent le long des chaînes de portes et des arbres d’horloge.
La mesure et l’analyse de ces charges parasites permettent de quantifier le nombre de signaux transitoires capables d’induire des erreurs, et de remettre en cause la fiabilité d’un circuit. En particulier, la connaissance de la quantité de charge collectée et de la durée des transitoires parasites permet de mettre en place des techniques de durcissement adaptées, avec un impact minimal sur les performances du circuit. Au cours des années 2005 et 2006, les électroniciens du CEA - DAM - Île-de-France ont mis au point de nou- velles techniques de mesure de ces signaux transitoires, optimisées pour détecter des signaux transitoires très courts. De nombreuses mesures ont été réalisées avec des rayonnements de type ions lourds, protons, laser pulsé, sur plusieurs technologies représentatives des filières industrielles actuelles et futures. Ces mesures constituent une source d’information importante sur la tenue de l’électronique en environnement radiatif.