Simulation HPC de - GENCI · 2018-11-07 · Un domaine en pleine effervescence • Les...

Simulation HPC de

l'interaction laser-plasma

E. Lefebvre1, A. Beck1, M. Carrié1, P. Combis1, A. Compant-La-Fontaine1, X. Davoine1, J. Drouet1, M. Drouin1, A. Friou1, L. Gremillet1,

A. Lifschitz2, R. Nuter1, F. Perez3, G. Sanchez-Arriaga1

1CEA, DAM, DIF, 91297 Arpajon, France 2LPGP, Université Paris XI, 91405 Orsay, France

3LULI, Ecole Polytechnique/CEA/CNRS/Université Paris VI, 91128 Palaiseau, France

avec le soutien de

contexte

Les grandes installations « plasmas » en France

LMJ et PETAL Cesta

Plateau de Saclay APOLLON

ITER Cadarache

Cible 2mm

Chambre d’expérience 10 m

Hall d’expérience 60 m et hauteur 40 m

Laser Mégajoule 150 x 300 m

(hauteur 35 m)

Le Laser Mégajoule

Production de sources de rayonnement et de particules, brèves et intenses, pour la physique nucléaire,

la radiographie des plasmas, la production et l’étude de matière dense et chaude

Problèmes originaux de radioprotection !

Applications industrielles et médicales à l’étude pour le moyen / long terme

Effervescence internationale sur ces sujets de recherche ; progrès portés par les développements laser

et les moyens de calculs scientifiques

Les impulsions laser intenses réalisent d’excellents accélérateurs miniatures

Un domaine en pleine effervescence

• Les installations couplant faisceaux laser nanoseconde et picoseconde sont en plein

développement

• Des projets ambitieux existent aux Etats-Unis, au Japon et en Europe autour de

l’allumage rapide et des générations futures de laser femtoseconde

• Sur un autre plan, la fiabilité toujours croissante des sources laser laisse entrevoir les

premières applications « industrielles » et peut être un jour « médicales »

APRI

SIOM

UTex

UMich

LLNL

UNeb

LBNL

ALLS

IRAMIS

LOA

CLF

MPQ

FSU

FZD UD

üss ILE

UPS

MBI

ELI-CZ

ELI-NP

ELI-ALPS

ILIL

Interaction avec des lasers à impulsions Nanosecondes vs Picosecondes

-Mouvement électronique classique

-Absorption du rayonnement par collisions

-Plasma thermique (~keV)

-Plasma quasi-neutre

-Modèle : hydrodynamique mono-fluide

-Laser modélisé par lancé de rayons

LIL, LMJ

100 TW

PETAL

ELI

… mouvement relativiste

… par accélération de particules

… plasma hors équilibre thermique (multi-MeV)

… importance des effets de séparation de charge

→ champs atteignant le TV/m

… cinétique, relativiste, multi-espèces

… couplé aux équations de Maxwell complètes

fusion thermonucléaire par « allumage rapide »

accélération d’électrons à haute énergie

Un modèle cinétique de l’interaction laser-plasma : des applications multiples,

scientifiques aujourd’hui, industrielles ou médicales demain ?

protonthérapie

fusion par confinement inertiel

le code particulaire CALDER

• L’interaction onde – particule est décrite en résolvant en géométrie 1 / 2 ou 3D

le système couplé formé

• des équations de Maxwell

• et d’une équation cinétique (Vlasov) pour chaque espèce de particules

• Les équations de Maxwell sont résolues sur une grille cartésienne fixe et régulière,

avec des termes sources (r, j) fournis par le mouvement du plasma

• Les équations de Vlasov sont résolues en calculant les trajectoires de nombreuses

“macro-particules” soumises aux champs électromagnétiques

• La parallélisation de ce code via une technique de décomposition de domaine

nous permet d’utiliser efficacement jusqu’à 2000 cœurs sur les machines du CEA

et de GENCI

L’interaction laser – plasma est modélisée avec notre code

cinétique (“Particle-In-Cell”) CALDER

0)( p

BvEx

v

aaa fq

f

t

f

02

0

/

/

r

jBE

E

rotct

div

EB

B

rott

div

0

E. Lefebvre et al., Nucl. Fus. (2003)

Algorithme d’un code cinétique particulaire parallèle

tri des particules

mouvement des particules

interpolation des champs

calcul des sources

calcul des champs

com. particules

com. sourcescom. champs

com. champs

diagnostics

com. diags

Jusqu’à plusieurs milliards de particules suivies sur un milliard

de mailles pendant plusieurs dizaines de milliers de pas de

temps → parallélisme poussé !

Décomposition par domaines d’un code cinétique particulaire

• La parallélisation du code est effectuée par décomposition de domaine

Chaque fragment de domaine est assigné à un processeur

> Particules

> Portion du maillage pour Maxwell

> Cellules « fantômes » pour le calcul des champs

Chaque processeur calcule l’évolution des champs et le mouvement des particules

dans son propre domaine

Les diagnostics sont « orchestrés » par le processeur 1 : collection des résultats et

écriture sur fichier – idem pour la lecture et la diffusion des paramètres de la simulation

+x

-z

-x

-y

+z • On prévoit des phases de communication

entre processeurs après chaque étape du

calcul

– Échange de particules

– Mise à jour de cellules fantômes

– Synthèse de diagnostics

Répartition du temps calcul : passage à l’échelle

10

100

1000

10000

100000

1 10 100 1000

nombre de processeurs

tem

ps c

alc

ul (s

)

TOTAL

mouvement

sources

diagnostics

maxw ell

conditions limites

tri particules

• Problème test 2D :

9000 pas de temps

Maillage 1803 x 1536 (2.8 millions de mailles)

7.7 millions de particules x 2 espèces

Partition par bandes horizontales : de 8 à 256 processeurs

Bon passage à l’échelle (fort) sur toutes les sections du code

Passage à l’échelle de Calder : 2000 cœurs ok sur Titane, Jade,

4000 sur Téra100…

• Problème test 2D :

100 pas de temps

Maillage 6144 x 6144 (38 millions de mailles)

1.5 milliards de particules x 2 espèces

Partition par rectangles : de 256 à 4096 cœurs

Bon passage à l’échelle (fort)

0

5

10

15

20

25

30

0 1000 2000 3000 4000 5000

# cores

sp

eed

up

w.r

.t.

128 c

ore

s

ideal

jade, 40 elec

germain, 40 elec

cartan, 40 elec

0,00E+00

5,00E-01

1,00E+00

1,50E+00

2,00E+00

2,50E+00

3,00E+00

3,50E+00

0 1000 2000 3000 4000 5000

# cores

tim

e p

er

ele

ctr

on

per

tim

e s

tep

(µ

s)

jade, 40 elec

germain, 40 elec

T100, 40 elec

x12

x200

applications & illustrations



protonthérapie




Propagation laser et instabilités paramétriques en FCI : multi-échelle

• Les outils « mésoscopiques » calculent la propagation laser en tenant compte de la structure en « points chauds » d’un faisceau LIL ou LMJ…

• …consommateurs de ressources importantes pour modéliser des volumes de plusieurs mm3 sur des temps de plusieurs centaines de ps

→ simulations paraxiales 3D pour l’étude de la propagation

• …par ailleurs, que peut-on dire sur la physique « microscopique » des instabilités se déroulant à l’échelle du point chaud ?

→ simulations particulaires cinétiques 2D pour l’étude des instabilités

coupe 2D d’intensité

dans une boîte de

720×720×2500 µm3

Effets cinétiques dans les instabilités paramétriques en FCI

Paramètres laser

I = 21017 W/cm2

= 1.7 ps

f = 6.4 µm

Paramètres cible

ne = 0.06 nc

Paramètres calcul 2D

400010000 mailles

4109 particules

48 h 1000 cœurs (CCRT)

ne/nc = 0.09, Th = 5 keV

ne/nc = 0.14, Th = 11 keV

ne/nc = 0.18, Th = 27 keV

ne/nc = 0.23, Th = 45 keV

Simulation dans un point chaud d’un faisceau LMJ

• La simulation de l’interaction sur 1.5 ps dans un point chaud à 4×1016 W/cm2 indique une réflectivité de quelques (3-5) pour-cents et une absorption d’une quinzaine de pour-cents

• Absorption et réflectivité sont nulles (non-mesurables) à 4.5×1015 W/cm2

laser

• Raman avant et arrière se développent tous

deux et conduisent à une absorption sensible en

électrons chauds

• La simulation cinétique nous aide à identifier

les mécanismes importants pour saturer les

instabilités dans les plasmas du LMJ

Te=3 keV

Électrons

chauds



protonthérapie




Propagation dans un plasma de faible densité

• Episodes successifs de bifurcation, mais le canal est toujours rectiligne à long terme

• Vitesse de creusement fonction de densité et intensité laser

Une fois au bout du canal, l’impulsion laser enfonce la cible

• Simulation 2D d’un plasma de deutérium à 4×1021 cm-3 irradié par une impulsion laser de 1200 fs / 4×1019 W/cm2 (30 Mcellule, 1.6 Gparticule)

La pression du rayonnement pousse la matière dense,

et la pression thermique détend l’avant de la cible

• Enfoncement de la cible par le gradient d’intensité laser

• Fort chauffage des électrons qui détendent l’avant de la

cible… à corréler à de récentes expériences

• La simulation numérique peut guider l’expérience et le

design de cibles pour l’allumage rapide

L. Willingale et al., LLE Review (2010)



protonthérapie




Jet de gaz

He, 1 - 3 mm

Laser

30 fs, 1 J

Electrons

Onde plasma

Des expériences de sillage en jet de gaz

permettent d’accélérer des électrons jusqu’à 200 MeV en quelques mm

impulsion laser

F≈-grad I

densité électronique

Vitesses : vfepw = vglaser ~ c

Accélérateur d’électrons par laser-plasma : 10.000 x plus petit

• Accélérateurs RF conventionnels :

Champ accélérateur limite ~ 50 MeV/m

• Accélérateur par sillage laser :

– Champ accélérateur ~ 200 GeV/m

amplitude ~ 10.000x plus grande !

– Gain potentiel important sur la taille et le

coût des installations.

(simulation 3D)

~ 100 µm

~ 1 m

Des faisceaux monoénergétiques contrôlables pump injection

pump injection

Injection tardive

Injection précoce

pump injection

Injection au milieu

Zinj=225 μm

Zinj=125 μm

Zinj=25 μm

Zinj=-75 μm

Zinj=-175 μm

Zinj=-275 μm

Zinj=-375 μm

LOA

J. Faure et al., Nature 2006

V. Malka

La simulation particulaire permet une description “à l’échelle 1” de l’expérience

• pas de temps : 0.125

• nombre de pas de temps : 196 800

• pas d’espace longitudinal dx = 0.125 et transverses dy = dz = 2.5

• nombre de mailles 5600×200×200, soit au total 224×106 mailles

• nombre de particules par mailles : 1

• Calcul de 250 heures sur 500 cœurs

Impulsion principale

Longueur d’onde 0.8 µm

Durée 30 fs

Eclairement 3.1×1018 W/cm2

Impulsion d’injection

Longueur d’onde 0.8 µm

Durée 45 fs

Eclairement 3.5×1015 W/cm2

Plasma

Longueur 2.9 mm

dont deux rampes de 400 µm

Densité électronique 7×1018 cm-3

Lieu de collision 475 µm avant

le centre du plasma

X. Davoine et al., Phys. Plasmas 15, 113102 (2008)



protonthérapie




Mécanismes de l’accélération ionique par laser intense

- +

- +

- +

- +

- +

- +

- +

- +

+ - + - + - + -

II.

accélération

pondéromotrice

III.

expansion

ambipolaire

laminaire

- - - - - - - - - - - - - - - - I.

expansion

ambipolaire

Pollution surfacique (H2O)

ions H+

Cible solide

0.1 - 100 mm

e-

H+ et autres

Laser:

quelques J / ~1 ps (>10 TW)

Il2 >1018 W cm-2 mm2

laser

Protonthérapie : accélérateur conventionnel vs laser

Quel laser pour obtenir des protons à 250 MeV ?

0

50

100

150

200

250

1017

1018

1019

1020

1021

1022

Intensité laser (W/cm2)

Zone d'intéret clinique

CUOSLOA LULI

RAL

LNL

• Le besoin clinique est entre 70 et 250 MeV, loin au-delà de la démonstration expérimentale actuelle

• Quels paramètres laser pour optimiser l’accélération des protons ?

• Quels installations laser faut-il développer ?

• La simulation accompagne et guide l’expérience 20

40

60

80

100

120

140

160

0 0,5 1 1,5 2 2,5Epaisseur (micron)

I = 1021

W/cm2

I = 3.1020

W/cm2

SAPHIR

Un contrôle du spectre de protons est possible à l’aide de plots d’hydrogène

déposés sur des cibles minces

• On part d’un plot de protons déposé en face arrière d’une cible fine en or…

• … puis on réduit la densité surfacique du plot…

• … et on réduit finalement son diamètre à moins que la tache focale du laser

plot 100 nc, f 172 µm plot 40 nc, f 30 µm plot 40 nc, f 172 µm

172 µ

m

• On démontre ainsi le contrôle de la coupure à basse énergie du faisceau de protons en jouant sur la densité surfacique et le diamètre du plot

plot 100 nc, f 172 µm plot 40 nc, f 30 µm plot 40 nc, f 172 µm

Un contrôle du spectre de protons est possible à l’aide de plots d’hydrogène

déposés sur des cibles minces

perspectives & conclusions

Les outils numériques ont fait la preuve de leur efficacité…

mais doivent encore évoluer pour simuler mieux et plus vite

• Succès de la modélisation

Énergie max et spectre des électrons accélérés par sillage laser

Caractéristiques du rayonnement produit par Bremsstrahlung électronique

Energie max des protons accélérés par laser

Inhibition du chauffage de cibles irradiées à l=1 µm par rapport à l=0.5 µm

…

• Une évolution nécessaire des outils numériques pour simuler « plus proche » de l’expérience

Géométrie 3D

Longue distance de propagation (sillage laser)

Densité élevée des milieux (accélération ionique)

Plus de physique : ionisation, collisions

Tirer parti des futures architectures de machines (GPGPU) ?

Défi 1 : propager sur des distances toujours plus grandes

A. Lifschitz et al., J. Comp. Phys. 228, 1803 (2009)

• S’il n’y avait la polarisation (linéaire) du laser, certains problèmes seraient axisymétrique… on peut essayer de ne garder que quelques modes radiaux

• On décompose les champs en modes de Fourier sur l’angle q, à la manière de

• Et on résout Maxwell mode par mode : on a une description 3D du problème au prix de « quelques » calculs 2D

Défi 2 : simuler l’expansion d’un solide initialement froid et dense dans le vide

• La modélisation de l’expansion ionique allie plusieurs contraintes qui mettent en

évidence les limites de la méthode particulaire explicite

- Milieu initialement très dense : petits pas de temps et d’espace

- Milieu initialement froid : risque de chauffage numérique

• On peut contrôler le chauffage numérique par le biais du nombre de particules

par maille et du facteur de forme

• Pour le plus long terme, développement d’un code implicite en temps

ou modèles hybrides

M. Drouin, L. Gremillet

Plasma maxwellien 2d avec Te = Ti = 1 keV

Dt = 0.025 ωp-1, tfin = 500 ωp

-1

Dx = Dy = 0.025 c/ωp avec 100 × 100 mailles

Paramètres numériques :

200 nm Al+ (A=27)+ e- and 50 nm C+H

ρ = 200 enc/ Ti = Te = 1 eV

Δx = 5 nm, Δy = 10 nm / Nx = 16000, Ny = 6992

L’ionisation est activée pour les atomes de C et H

Al+ + e- C H

I0 = 4.51018 W/cm2 FWHM = 65 fs Φ = 8 µm

Défi 3 : ajouter de la physique dans la méthode PIC – ionisation, collisions…

R. Nuter

Nécessité du calcul haute performance

Quelques cm de plasma

à modéliser pendant

quelques ps (10-12 s)…

…mais des milliards de

particules à suivre dans

des milliards de mailles

pendant des

millions d’itérations !

A. Pukhov, APB (2002)

CCRT,

Cines,

Idris

TERA

Propagation d’un faisceau intense

dans un gradient de densité

Propagation d’un faisceau laser

lissé dans un plasma de fusion

Transport de forts courants

électroniques

dans un plasma

Effets cinétiques dans

les instabilités laser-plasma

Accélération par sillage laser

Accélération d’ions par laser

Interaction avec

des cibles coniques

Conclusions

• Nous développons et utilisons, pour les besoins de nos programmes et pour la

recherche académique, un code d’interaction laser-plasma cinétique, relativiste,

multidimensionnel et parallélisé

• Cet outil nous permet par exemple d’étudier, en 2D - Le rôle des effets cinétiques dans les instabilités laser-plasma - La production d’électrons relativistes lors d’une interaction à haute intensité - L’accélération de particules – électrons et ions – par laser, par sillage…

• La méthode particulaire et les algorithmes simples que nous utilisons se prêtent

bien à une parallélisation par décomposition de domaines, qui montre une très

bonne scalabilité sur la plupart de nos simulations

• Les progrès des machines HPC (TERA100, Curie…) vont nous permettre

d’augmenter nos volumes et nos temps de simulation, de passer en 3D sur de

nouveaux problèmes, de décrire une physique plus complète,

pour réaliser des simulations encore plus proches des conditions expérimentales

en collaboration avec

A. Beck, B. Canaud, M. Carrié, P. Combis, A. Compant-La-Fontaine,

X. Davoine, J. Drouet, M. Drouin, A. Friou, L. Gremillet, R. Nuter,

G. Sánchez Arriaga

C. Courtois, C. Rousseaux (CEA, DAM, DIF),

S. Corde, J. Faure, A. Flacco, S. Kahaly, A. Lifschitz, O. Lundh, V. Malka,

C. Rechatin, A. Rousse, F. Sylla, K. Ta Phuoc, M. Veltcheva (LOA),

P. Audebert, S. Baton, J. Fuchs, M. Koenig, A. Lévy, F. Perez (LULI)

et avec le soutien de

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