Bien que les FPGA soient très attrayants pour leur performance et leur faible consommation, leur emploi en tant qu'accélérateurs matériels reste marginal. Les logiciels de développement existants ne sont en effet accessibles qu'à un public expert en conception de circuits. Afin de repousser leurs limites, une nouvelle méthodologie de génération basée sur la synthèse d'architecture est proposée. En appliquant des transformations successives à une solution initiale, le processus converge rapidement et permet de respecter strictement des contraintes matérielles, notamment en ressources. Un logiciel démonstrateur, AUGH, a été construit, et des expérimentations ont été menées sur plusieurs applications reconnues. La méthodologie proposée est très proche du processus de compilation pour les microprocesseurs, ce qui permet son utilisation même par des utilisateurs non spécialistes de la conception de circuits numériques.

Les accélération de faisceaux de forte puissance et le bombardement d'une cible de spallation permettent d'atteindre les flux requis pour application aux réacteurs sous-critiques pilotés par un accélérateur de particules (ADSR).Parmi les methodes d'acceleration, on trouve les accélérateurs circulaires, en particuler les FFAG et les cyclotrons. Le travail de cette these porte sur l'évaluation de ces methodes pour la production de faisceaux de protons de classe multi-mégawatts, y compris la participation à des collaborations d'études internationales de design. Une evaluation de la methode ADSR comme candidat potential pour resoudre le probleme des dechets nucleaires est finalement etablie. / High power proton accelerators allow providing, by spallation reaction, the neutron fluxes necessary in thesynthesis of fissile material, starting from Uranium 238 or Thorium 232. This is the basis of the concept ofsub-critical operation of a reactor, for energy production or nuclear waste transmutation, with the objective ofachieving cleaner, safer and more efficient process than today’s technologies allow.Designing, building and operating a proton accelerator in the 500-1000 MeV energy range, CW regime,MW power class still remains a challenge nowadays. There is a limited number of installations at presentachieving beam characteristics in that class, e.g., PSI in Villigen, 590 MeV CW beam from a cyclotron, SNS inOakland, 1 GeV pulsed beam from a linear accelerator, in addition to projects as the ESS in Europe, a 5 MWbeam from a linear accelerator.Furthermore, coupling an accelerator to a sub-critical nuclear reactor is a challenging proposition: some ofthe key issues/requirements are the design of a spallation target to withstand high power densities as well asensure the safety of the installation.These two domains are the grounds of the PhD work: the focus is on the high power ring methods inthe frame of the KURRI FFAG collaboration in Japan: upgrade of the installation towards high intensityis crucial to demonstrate the high beam power capability of FFAG. Thus, modeling of the beam dynamicsand benchmarking of different codes was undertaken to validate the simulation results. Experimental resultsrevealed some major losses that need to be understood and eventually overcome.By developing analytical models that account for the field defects, one identified major sources of imperfectionin the design of scaling FFAG that explain the important tune variations resulting in the crossing of severalbetatron resonances. A new formula is derived to compute the tunes and properties established that characterizethe effect of the field imperfections on the transverse beam dynamics. The results obtained allow to developa correction scheme to minimize the tune variations of the FFAG. This is the cornerstone of a new fixed tunenon-scaling FFAG that represents a potential candidate for high power applications.As part of the developments towards high power at the KURRI FFAG, beam dynamics studies have toaccount for space charge effects. In that framework, models have been installed in the tracking code ZGOUBIto account for the self-interaction of the particles in the accelerator. Application to the FFAG studies is shown.Finally, one focused on the ADSR concept as a candidate to solve the problem of nuclear waste. In orderto establish the accelerator requirements, one compared the performance of ADSR with other conventionalcritical reactors by means of the levelized cost of energy. A general comparison between the different acceleratortechnologies that can satisfy these requirements is finally presented.In summary, the main drawback of the ADSR technology is the high Levelized Cost Of Energy comparedto other advanced reactor concepts that do not employ an accelerator. Nowadays, this is a show-stopper forany industrial application aiming at producing energy (without dealing with the waste problem). Besides, thereactor is not intrinsically safer than critical reactor concepts, given the complexity of managing the targetinterface between the accelerator and the reactor core.

Depuis quelques dizaines d 'années, plusieurs travaux de recherche ont été effectués dans le but d'utiliser des impulsions laser pour accélérer des électrons. Lors des dernières années, de nouveaux schémas d'accélération ont été proposés, dont le système d 'accélération par un faisceau TMo1 dans le vide. Nous avons étudié en détailles propriétés de ce schéma d 'accélération au moyen de solutions numériques des équations différentielles régissant le mouvement des électrons et la propagation de faisceau. Ainsi, nous avons défini plus clairement l'importance de la durée d'impulsion sur le nuage d 'électrons, et cela en fonction du temps. Afin de mieux prévoir certaines conséquences expérimentales, nous avons également étudié le comportement d 'un nuage qui n 'est pas automatiquement placé sur l'axe de propagation. Finalement, nous avons prouvé numériquement que le gain en énergie des électrons dépend de la dimension de la taille de faisceau au pincement (<<beam waist¿) lors de l'accélération pour une puissance laser donnée. En d 'autres termes, la taille de faisceau devient un paramètre clé dans l'ajustement du gain en énergie des électrons soumis à un faisceau TMo1 ultra-intense et ultrabref; en effet, il y a une dimension optimale de la taille de faisceau au pincement afin d 'obtenir le gain en énergie le plus élevé.

Il est possible d'accélérer des électrons par champ direct avec une impulsion laser intense de quelques cycles optiques et de polarisation radiale. Cette méthode peut générer des impulsions d'électrons convenables pour de la diffraction électronique ultrarapide. Les impulsions électroniques ainsi générées vont toutefois s'étirer en se propageant vers une cible dû à la différence d'énergie entre les électrons d'une même impulsion et à la répulsion coulombienne. Afin de comprimer ces impulsions d'électrons, nous proposons d'utiliser des impulsions laser térahertz intenses. En effet, le puissant champ électromagnétique des impulsions laser térahertz peut accélérer les électrons à l'arrière du paquet ou ralentir ceux à l'avant. Le présent mémoire de maîtrise explore la possibilité de comprimer des impulsions d'électrons en utilisant des ondes térahertz linéairement polarisées (dans le mode LP01). Des simulations numériques ont _été réalisées afin d'étudier ce schéma de compression. Les résultats montrent entre autres qu'il est possible de comprimer une impulsion électronique de 400 fs _a 150 fs avec un gain net en énergie. Cependant, les amplitudes de champ électrique nécessaires sont de l'ordre du GV/m (109 V/m), ce qui est un défi pour la technologie actuelle. Des champs électriques moins importants peuvent toutefois être utilisés pour comprimer des paquets d'électrons monoénergétiques. Les impulsions électroniques peuvent ainsi subir une compression de 350 fs _a 20 fs. Ce schéma pourrait être une alternative aux cavités radiofréquences souvent utilisées pour comprimer des impulsions électroniques. / Electrons can be directly accelerated by the longitudinal electric field component of an intense, few-cycle, radially-polarized laser pulse. It has been predicted that the method can be used to produce electron pulses suitable for ultrafast electron diffraction. However, after acceleration, electron pulses broaden as they travel up to a target due to energy dispersion and space charge effects. In ordre to achieve the compression of electron pulses, one can use intense terahertz laser pulses. In fact, the intense electromagnetic fields of terahertz laser pulses may accelerate the electrons trailing at the end of electron pulses or decelerate the electrons at the front. The present master's thesis investigate the possibility of compressing electron pulses using linearly polarized terahertz waves (LP01 mode). Numerical simulations have been made to explore this compression scheme. Some results show that a 400 fs electron pulse can be compressed to 150 fs with a net energy gain. However the required electric field amplitude must be in the GV/m scale (109 V/m), which is a challenge for actual technology. Lower electric field amplitude can be used to compress monoenergetic electron pulses. Thereby, electron pulses can be compressed from 350 fs to 20 fs. This approach may be an alternative to the radiofrequency cavity scheme often used for electron pulse compression.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2015-2016 / Lorsque fortement focalisées, les impulsions laser de haute puissance génèrent des champs électromagnétiques d’amplitude gigantesque. Ces derniers peuvent être mis à profit pour accélérer des électrons à une grande énergie sur une très courte distance. Les progrès récents dans le domaine des lasers de haute puissance laissent ainsi entrevoir des perspectives excitantes dans le développement d’une nouvelle génération d’accélérateurs laser qui seraient beaucoup plus compacts et moins dispendieux que les accélérateurs d’électrons conventionnels. Parmi les différents schémas d’accélération laser proposés, l’utilisation d’impulsions laser de polarisation radiale s’avère prometteuse. Cette méthode tire profit de la composante longitudinale du champ électrique au centre d’un faisceau laser de type TM01 afin d’accélérer des électrons le long de l’axe optique. L’objectif spécifique du projet de doctorat présenté dans cette thèse est d’étudier l’accélération d’électrons par impulsions TM01 dans le régime des impulsions ultrabrèves et fortement focalisées. Dans ces conditions extrêmes, les impulsions laser doivent impérativement être modélisées à l’aide de solutions exactes aux équations de Maxwell. Nous présentons d’abord une technique permettant d’obtenir une solution exacte sous forme fermée aux équations de Maxwell pour décrire le champ électromagnétique de l’impulsion TM01. Cette solution exacte nous permet de modéliser rigoureusement la dynamique en régime d’impulsions ultrabrèves et fortement focalisées et d’en faire ressortir les caractéristiques intéressantes. Il est également mis en évidence qu’une solution exacte pour le champ électromagnétique n’est pas seulement utile en régime non paraxial, mais qu’elle est également nécessaire pour modéliser correctement la dynamique dans des conditions de faible focalisation. Une partie de cette thèse s’intéresse finalement à une application intéressante de l’accélération par impulsions TM01 ultrabrèves et fortement focalisées, soit la production d’impulsions ultrabrèves d’électrons sous-relativistes. À l’aide de simulations particle-in-cell, nous démontrons la possibilité d’accélérer des impulsions d’électrons d’une durée de l’ordre de la femtoseconde à quelques centaines de keV d’énergie lorsqu’une impulsion TM01 de quelques centaines de gigawatts est focalisée dans un gaz de faible densité. Étant situées dans la fenêtre énergétique adéquate, ces impulsions d’électrons pourraient permettre d’améliorer significativement la résolution temporelle dans les expériences d’imagerie atomique et moléculaire par diffraction électronique ultrarapide. / When focused on a tiny spot, high-power laser pulses generate gigantic electromagnetic fields. Under these strong field conditions, charged particles can be accelerated up to high energies over short distances. Recent advances in high-power laser technology hint at exciting new possibilities in the development of a new generation of laser-driven electron accelerators that are expected to offer a robust, compact, and low-cost alternative to conventional linear accelerators. Among the many proposed laser-driven acceleration schemes, the use of radially polarized laser pulses is very promising. In this method, the electrons are accelerated along the optical axis by the strong longitudinal electric field component at the center of a TM01 beam. The main objective of this thesis is to investigate electron acceleration driven by TM01 pulses under ultrashort pulse and strong focusing conditions. In this nonparaxial and ultrashort pulse regime, the laser pulses must be rigorously modeled as exact solutions to Maxwell’s equations. We first present the tools that are used to obtain an exact closed-form solution to Maxwell’s equations for a TM01 pulse. This exact solution allows us to accurately model the acceleration process and to highlight several interesting properties of the dynamics in the nonparaxial and ultrashort pulse regime. It is also shown that an exact solution is not only useful to investigate electron acceleration under nonparaxial conditions, but also necessary to correctly describe the dynamics in the weak focusing limit. A part of this thesis is also concerned with an interesting property of the acceleration driven by ultrashort and tightly focused TM01 pulses, namely the generation of ultrashort bunches of subrelativistic electrons. Using particle-in-cell simulations, we demonstrate the possibility of generating one-femtosecond electron pulses at few-hundred-keV energies when a few-hundred-GW TM01 pulse is tightly focused in a low-density gas. Since they are located in the appropriate energy window, these electron pulses could potentially lead to a significant improvement in the time resolution of atomic and molecular imaging experiments based on ultrafast electron diffraction.

L’accélération directe d’électrons par des impulsions ultrabrèves de polarisation radiale fortement focalisées démontre un grand potentiel, notamment, pour la production de paquets d’électrons ultrabrefs. Plusieurs aspects de ce schéma d’accélération restent toutefois à être explorés pour en permettre une maîtrise approfondie. Dans le cadre du présent mémoire, on s’intéresse à l’ajout d’une dérive de fréquence au champ de l’impulsion TM01 utilisée. Les expressions exactes des composantes du champ électromagnétique de l’impulsion TM01 sont établies à partir d’une généralisation du spectre de Poisson. Il s’agit, à notre connaissance, du premier modèle analytique exact pour la description d’une impulsion avec une dérive de fréquence. Ce modèle est utilisé pour étudier l’impact du glissement en fréquence sur le schéma d’accélération, grâce à des simulations “particule test” unidimensionnelles, considérant en premier lieu une énergie constante par impulsion, puis un champ maximum constant. Les résultats révèlent que le glissement en fréquence diminue le gain en énergie maximum atteignable dans le cadre du schéma d’accélération à l’étude ; une baisse d’efficacité de plusieurs dizaines de pourcents peut survenir. De plus, les simulations mettent en évidence certaines différences reliées à l’utilisation d’impulsions avec une dérive vers les basses fréquences ou avec une dérive vers les hautes fréquences : il se trouve que, pour un glissement en fréquence de même grandeur, l’impulsion avec une dérive vers les basses fréquences conduit à un gain en énergie cinétique maximum plus élevé pour l’électron que l’impulsion avec une dérive vers les hautes fréquences. / Direct electron acceleration using ultrashort radially polarized laser pulses in strong focusing conditions exhibits unique properties for the production of ultrashort electron bunches. However, several aspects of this acceleration scheme are still left to investigate in order to ensure our complete understanding of the processes taking place. The present master’s thesis studies the use of TM01 chirped pulses in this acceleration scheme. Exact closed-form expressions for the description of all the components of the electromagnetic field of the TM01 chirped pulse are established by the generalization of the Poisson-like spectrum. It is, to the best of our knowledge, the first exact analytical model of an ultrashort non paraxial chirped pulse. These expressions are then used for on-axis “test particle” simulations, considering, at first, a constant pulse energy and, as a second case, a constant field maximum. Results reveal that chirp pulses seem to cause a decrease of the maximum energy gain achievable using this acceleration scheme; a decrease of the efficiency of tens of percents was observed. Additionnaly, numerical simulations show that down-chirp and up-chirp do not lead to the same results: we find that down-chirped pulses produce a slightly larger energy gain than up-chirped pulses, while still being less efficient than Fourier-transform-limited laser pulses

La production de noyaux radioactifs est réalisée par bombardement d'une cible par un faisceau primaire de proton, de neutrons ou d'ions stables. Afin d'obtenir des faisceaux d'ions radioactifs de plusieurs MeV par nucléons, il convient tout d'abord de les multi-ioniser. Le principe de la méthode 1+/n+ consiste à séparer la production des éléments radioactifs de leur multi-ionisation. Une cible de production d'éléments radioactifs est associée à une source d'ions monochargés (ensemble cible-source). Le faisceau d'ions radioactifs 1+ ainsi produit est injecté à basse énergie (quelques dizaines de keV) dans une source d'ions multichargés à Résonance Electronique Cyclotronique (ECR). Les ions monochargés sont ralentis électrostatiquement dans la source n+ et sont capturés par le plasma ECR. Ils sont alors sont multi-ionisés pas à pas vers des états de charge élevés, extraits et accélérés. Les expériences décrites dans cette thèse ont été réalisées avec des éléments stables. La méthode 1+/n+ peut fonctionner en mode continu : le faisceau d'ions monochargés est injecté en continu dans la source n+ et le faisceau d'ions multichargés est produit en continu. Les rendements de transformation 1+/n+ obtenus sont d'une dizaine de pour cent pour les gaz rares et de plusieurs pour cent pour les éléments condensables. La durée de la transformation 1+/n+ est de l'ordre de la centaine de millisecondes ce qui est suffisamment rapide pour la majorité des éléments radioactifs à multi-ioniser. Ces résultats permettent de considérer que la méthode 1+/n+ et aujourd'hui opérationnelle pour un système de production d'ions radioactifs accélérés. La méthode 1+/n+ peut également fonctionner en mode pulsé : le faisceau d'ions monochargés est injecté en continu dans la source n+ et le faisceau d'ions multichargés est extrait par " pulses " de quelques millisecondes. Les rendements obtenus sont de l'ordre du pour cent pour le rubidium et le plomb. Il est nécessaire de réaliser des études complémentaires sur ce mode de fonctionnement afin d'améliorer les résultats déjà obtenus.

Les machines multicœurs équipées d'accélérateurs deviennent de plus en plus populaires dans le domaine du Calcul Haute Performance. Les architectures hybrides réduisent la consommation énergétique de manière significative et sont donc amenées à se généraliser dans l'ère du manycœur. Cependant, la complexité induite par ces architectures a un impact direct sur leur programmabilité. Il est donc indispensable de fournir des abstractions portables afin de tirer pleinement parti de ces machines. Les approches qui consistent à exécuter une application sur des processeurs généralistes et à ne déporter que certaines parties prédéterminées du calcul sur des accélérateurs ne sont pas suffisantes. Le véritable défi consiste donc à concevoir des environnements où les applications sont réparties sur l'intégralité de la machine, c'est-à-dire où les différents calculs sont ordonnancés dynamiquement sur la totalité des unités de calcul disponibles. Dans cette thèse, nous proposons donc un nouveau modèle de support exécutif fondé sur une abstraction de tâche et spécifiquement conçu pour répondre aux nombreux défis en termes d'ordonnancement de tâches et de gestion de données. La plate-forme StarPU a été conçue lors de cette thèse afin de démontrer la pertinence de ce modèle. StarPU propose une interface expressive permettant d'accéder à un ordonnancement flexible, fortement couplé à une gestion de données efficace. À l'aide de cet environnement et en associant les différentes tâches avec des modèles de performance auto-calibrés, il devient par exemple très simple de concevoir des stratégies d'ordonnancement prenant en compte les temps de calcul et les surcoûts liés aux mouvements de données. Nous montrons que notre modèle fondé sur un paradigme de tâche est suffisamment puissant pour exploiter les grappes de calcul d'une part, et les architectures manycœurs hybrides d'autre part. Nous analysons les performances obtenues non seulement grâce à des tests synthétiques, mais aussi à l'aide d'applications réelles. Nous obtenons ainsi des accélérations substantielles, ainsi qu'une très bonne efficacité parallèle sur différents types de plates-formes multicœurs, dotées d'accélérateurs.

Le champ invariant de spin (ISF), et son évolution, informe en profondeur sur le comportement de la polarisation dans un accélérateur, permet de calculer la polarisation d'équilibre dans les accélérateurs d'éléctron, mais est également utile dans l'étude et la compréhension des machines protons. La luminosité croissante, le plus haute sensibilité des expériences et la prise en compte d'effet auparavant négligé rendent nécessaire l'amélioration de la précision du calcul de l'ISF. Le travail de cette thèse propose plusieurs méthodes de calcul numérique du Champ Invariant de Spin, basées sur l'intégration numérique de la trajectoire, permettant une précision accrue des effets de la dynamique orbitale sur la dynamique de spin, mais également de prendre en compte des effets souvent compliqués à étudier et habituellement négligés, comme la dynamique non linéaire, les effets faisceau-faisceau, etc. Ces effets n'ont pas été inclues, car l'élaboration des méthodes a demandé beaucoup de temps, mais ils sont une perspectives de recherche dans le domaine. L'algorithme intitulé stroboscopic averaging a été implémenté pour calculer l'ISF. Une implémentation "simple" conduit à des temps de calcul trop long pour être utile. Néanmoins, une implémentation "backward" permet de rendre le calcul de l'ISF en un point dépendant d'une unique trajectoire, et donc de paralèlliser le calcul. Il a été suggéré par ailleurs que le "spin tune" peut être calculé par analyse spectrale. Un algorithme a été implementé dans ce sens, et calcul la fréquence de précession du spin sur une trajéctoire donnée. Cette idée mène également à une méthode alternative de calcul de l'ISF. La combinaison de ces différentes méthodes permet une meilleure compréhension des effets en jeu dans la dynamique du spin. / Invariant Spin Field (ISF), and its evolution, gives an acute insight in the polarization behaviour of a polarized accelerator, allows to estimate the equilibrium polarization of electron accelerators, an is also useful in the design and understanding of proton machines. The increased luminosity of colliders, the higher precision of the experiments, the inclusion of previously neglected effects, marks a necessary step forward in ISF precision. The present thesis proposes different methods to compute Invariant Spin Field, based on particle tracking, allowing a better precision in the orbital dynamic effect on the spin dynamic, as well as the inclusion of effects complicated to study and usually neglected, such as non linear dynamic effects, Beam-Beam effect, etc. The inclusion of these different effects has not been done, because elaboration of new methods is quite demanding. This is a candidate for future research. We implemented the Stroboscopic Averaging algorithm to compute ISF. The "simple" implementation leads to a non-managable computing time, but the "backward" implementation solves the problem by making the computation of the ISF dependent on only one orbital trajectory, thus allowing a parallelisation of the algorithm. It has been suggested that the spin tune could be computed through a spectral analysis. We implemented an algorithm for this purpose, allowing us to compute the spin tune form the spin-orbit trajectory. Following these ideas, we also proposed new methods based on a prior knowledge of the spin tune, to compute ISF. Combining the different methods leads to a better understandings of the spin dynamic, as each method provides a different point of view.

Electromagnetic acceleration has the potential for various applications stemming from space electric propulsion systems to future air breathing hypersonic augmentation.<p>Electromagnetic acceleration uses electromagnetic body force produced by the interactions of currents carried in plasma which is either externally applied or self-induced magnetic fields to accelerate the whole body of gas. Historically, these plasmas sources have been arc jets, shock tube and microwaves. Never has an electromagnetic accelerator been powered by an inductively coupled plasma (ICP) source.<p>The von Karman Institute has experimentally investigated the acceleration of an electrically conductive fluid produce by a subsonic ICP source. This ICP source was powered with a 15 kW and 27.1 MHz radio frequency facility called the Minitorch. The electromagnetic acceleration was accomplished with the design, fabrication and testing of a linear Hall current magnetofluiddynamic accelerator (MFDA) channel. The channel was geometrically orientated into the Hall configuration to accounts for the large Hall Effect. This channel used a single pair of copper annulus electrodes powered by a 10 kW direct current power supply. The channel was water cooled and contained various diagnostics to provide greater insight to the electromagnetic acceleration process. This was the first successful magnetofluiddynamic acceleration of an ICP source and validates the proof of concept.<p>One-dimensional MFD modeling was formulated and used to determine the necessary performance requirements of the MFDA channel E and B field subsystems. An interaction parameter of approximately 2.25 was required for the doubling of an inlet velocity of 300 m/sec. The required subsystem need to provide a current density was 6 Amps/cm2 with a magnetic field strength of 0.50 Tesla over an acceleration length of 0.1 meters. Additional the most critical constraint was the thermal management subsystem which was designed to overcome large heat transfer fluxes to achieve a steady state condition over a test run of 10 minutes.<p>The dynamic pressure measured increase the inlet velocity 101% for an argon plasma flowing at 1.01 g/s at a magnetic field strength of 0.49 Tesla. his strong acceleration of the plasma was most notable near the region of the electrodes at the exit of the 0.1 m long channel. The central region of the plasma has less dynamic pressure increase corresponding to only a maximum of 15% increase in velocity at a magnetic strength of 0.49 Tesla. Experimental results showed that axial discharge voltages increased with increased magnetic fields, indicating a strong Hall Effect in the accelerator as expected.<p>Theoretical analysis was accomplished using the one-dimensional equation of motion and was compared to utilizing only the momentum equation. Experimental force fluxes were compared to the calculated values of the one-dimensional equation of motion and momentum equation. The reference area for the current density was selected from intensity measurement using a high speed camera with the MFDA channel on. There was significant error in the analysis concerning using the momentum Lorentz force only versus the one-dimensional equations of motion; which included joule heating. This analysis summarized the necessity to include joule heating in the formulation of the problem. / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished