Measuring the equation of state of porous materials with shock waves generated by laser.
Mesure de l'équation d'état de matériaux poreux à l'aide d'ondes de choc générées par laser.
Résumé
A few words about the general context of the study The physics of high pressures, and particularly the extent of equations of state, has grown meet the needs of other disciplines where quantitative knowledge of the behavior of matter highly compressed is fundamental. Thus, geophysics, understanding the internal structure of the earth.1 depends on the equation of state of iron and its physical properties 2 . A similar situation occurs in Planetology for other elements (structure of Jupiter and the equation of state of the hydrogène3 Structure of Uranus and equation of state of the eau4 ...). More generally, the equation of state of materials forming an object Astrophysics necessarily involved in the theoretical study of its internal structure to close the system equations hydrostatique5 . The first study methods were static compression methods, such as cell- diamond anvil. Although these methods are currently undergoing improvements that extend the scope, limitations (low pressure maximum character isothermal compression) have led to the development of new ways. The shock waves generated by laser have emerged as a tool for this research. Since the cessation of nuclear tests (whose contribution to the extent state equation is summarized in articles Ragan III 6 American side and Trunin7 the Russian side), this method is one that achieves the highest pressure (750 Mbar in 1993 in Livermore by colliding gold leaf 8 ). If this possibility existed for the development of large power lasers for research on inertial confinement fusion, its use for accurate measurements is recent 9 . This is indeed become possible thanks to the previous work on the prerequisites of quality of impact: the introduction of optical smoothing to ensure uniformity of the shock, the study of its stationarity and preheating. This is an area not yet fully explored, and the materials to be studied many. Among these, porous materials are of a particular character and this thesis attempts to extent of their equation of state. The study of porous materials (foams) high pressure is applied to their many applications in the field of inertial confinement fusion, astrophysics experiments laboratory, as well as the purpose of better understanding of these exotic materials in extreme conditions. In the context of inertial confinement fusion, plastic foams are used in some schemes targets (in direct attack) or cavity filling (in collateral attack). They have indeed interesting properties in terms of hydrodynamics, and for smoothing thermal inhomogeneities lighting 10.11 . The goal of inertial confinement fusion is to trigger the ignition of reactions thermonuclear fusion by compressing a target consisting of a mixture of deuterium and tritium. In said direct attack scenario, we use the removal of the outer layers of the spherical target by lighting Laser jet to generate shock waves converging at the center in order to create the conditions temperature and density specific to the ignition of the first fusion reactions. They must then file enough energy, and the mixture around the hot spot must be sufficiently dense so that the combustion spreads to the entire target. The hydrodynamic instability amplifies the smallest irregularities the shock wave, it is essential to the success of this method to have the energy deposit as homogeneous possible. In addition to optical methods, use of foam proved an attractive option. Indeed, wear a target of low density foam can quickly create a plasma supercritical (That is to say, in which the laser light can not propagate) large size (comparable to the thickness foam). Through this area, the energy is transmitted by thermal conduction to the front of ablation where the shock is generated. This is essentially lateral thermal conduction which will broadcast the energy and allow smoothing actual profile at the front of ablation, that is to say its "footprint" on the hydrodynamics. For a reliable comparison with the patterns of target competitors, such as those using a ablateur beryllium, currently favored Twelve It is necessary to know their properties, particularly their equation of state. Indeed, the final choice and optimization of the target are made primarily on the basis of simulations hydrodynamic, whose validity depends on the particular equations of state used. In the context of laboratory astrophysics experiments, foams offer a means of simulate low-gravity environments. It can be used for example as analogous stellar atmospheres and interstellar medium. These include the experiences of Drake et al. 13.14 and Benuzzi et al. 15 , Simulating the explosion of a supernova. The major advantage of currently feasible experiments with intense laser seems to lie in the validation of hydrodynamic codes used by the astrophysicists 16 . A detailed comparison of numerical results and experimental inquiry again a good knowledge of the equation of state of similar materials used as media astrophysical. Because of their low density foams also have an interest in the context of experiments measurement equation of state of other materials by laser shock 17 : Their use as ablateur achieves high shock pressures due to the phenomenon of impedance mismatch, while minimizing the radiative preheating due to their low atomic number. Finally, a good knowledge of the state equation involves the ability to explore a wide range of space phases. However, all accessible states of a material with a shock wave are on the same curve (Hugoniot curve). To overcome this limitation, several approaches are used. One can for example resorting to multiple shocks 18 , To be closer to the isentropic compression curve of the material, or measure its relaxation from a state under choc19 . Another way is from a different state of material, either by compressing it in advance by a static method, either, from an initial density reduced by using a material poreux20 . The study of porous materials is therefore in the general the exploration of exotic states of matter. State of knowledge before the thesis When we undertook this study the equations of state available for foam plastics based Experimental results on very few, relatively low pressure (kbar) obtained using gas guns. It is essentially the work of Holmes 21 , Providing a single measuring point on the polar Impact of a styrofoam mg/cm3 139 At 40 kbar. The recent advent of accurate methods of measurement equation of state using shock waves generated by laser 9 thus enabled to consider their application to the case of plastic foam, in an area unexplored pressures and temperatures.
Quelques mots sur le contexte général de l'étude La physique des hautes pressions, et particulièrement la mesure des équations d'état, s'est développée pour répondre aux besoins d'autres disciplines où la connaissance quantitative du comportement de la matière fortement comprimée est fondamentale. Ainsi, en géophysique, la compréhension de la structure interne de la terre1 dépend de l'équation d'état du fer et de ses propriétés physiques 2 . Une situation similaire se rencontre en planétologie pour d'autres éléments (structure de Jupiter et équation d'état de l'hydrogène3 , structure d'Uranus et équation d'état de l'eau4 ...). Plus généralement, l'équation d'état des matériaux constituant un objet astrophysique intervient nécessairement dans l'étude théorique de sa structure interne pour fermer le système des équations de l'hydrostatique5 . Les premières méthodes d'étude étaient des méthodes de compression statiques, telles-que les cellules à enclumes de diamant. Bien que ces méthodes connaissent actuellement des améliorations qui en étendent le domaine d'application, leurs limites (faible pression maximale, caractère isotherme de la compression) ont poussé au développement de voies nouvelles. Les ondes de choc générées par laser se sont affirmées comme un outil privilégié pour ces recherches. Depuis l'arrêt des essais nucléaires (dont la contribution à la mesure d'équations d'état est résumée dans les articles de Ragan III 6 du côté américain et Trunin7 du côté russe), cette méthode est celle qui permet d'atteindre les pressions les plus élevées (750 Mbar en 1993 à Livermore, par collision de feuilles d'or 8 ). Si cette possibilité existe depuis le développement de grands lasers de puissance destinés à la recherche sur la fusion par confinement inertiel, son emploi pour des mesures précises est récent 9 . Ceci n'est en effet devenu envisageable que grâce à des travaux préalables sur les conditions indispensables de qualité du choc : l'introduction du lissage optique pour assurer l'uniformité du choc, l'étude de sa stationnarité et du préchauffage. Il s'agit donc d'un domaine encore imparfaitement exploré, et les matériaux à étudier sont nombreux. Parmi ceux-ci, les matériaux poreux revêtent un caractère particulier et cette thèse s'attache à la mesure de leur équation d'état. L'étude des matériaux poreux (" mousses ") à haute pression est effectuée en vue de leurs nombreuses applications, dans le domaine de la fusion par confinement inertiel, des expériences d'astrophysique en laboratoire, aussi bien que dans le but d'une meilleure compréhension fondamentale de ces matériaux exotiques dans des conditions extrêmes. Dans le cadre de la fusion par confinement inertiel, les mousses plastiques sont employées dans certains schémas de cibles (en attaque directe) ou pour le remplissage de cavités (en attaque indirecte). Elles présentent en effet des propriétés intéressantes du point de vue hydrodynamique, et pour le lissage thermique des inhomogénéités d'éclairement 10,11 . L'objectif de la fusion par confinement inertiel est de déclencher l'ignition de réactions de fusion thermonucléaire en comprimant une cible constituée d'un mélange de deutérium et de tritium. Dans le scénario dit d'attaque directe , on utilise l'ablation des couches extérieures de la cible sphérique par un éclairage laser pour engendrer par réaction des ondes de chocs convergeant en son centre afin d'y créer les conditions de température et de densité propres à l'allumage des premières réactions de fusion. Celles-ci doivent alors déposer suffisamment d'énergie, et le mélange autour du point chaud doit être suffisamment dense, pour que la combustion se propage à toute la cible. Les instabilités hydrodynamiques amplifiant les moindres irrégularités de l'onde de choc, il est indispensable pour la réussite de cette méthode d'avoir le dépôt d'énergie le plus homogène possible. En complément aux méthodes optiques, l'emploi des mousses s'est avéré une solution intéressante. En effet, revêtir une cible de mousse de faible densité permet de créer très rapidement un plasma surcritique (c'est-à-dire dans lequel la lumière du laser ne peut se propager) de taille importante (comparable à l'épaisseur de la mousse). A travers cette zone, l'énergie est transmise par conduction thermique jusqu'au front d'ablation où le choc est engendré. C'est essentiellement la conduction thermique latérale qui va diffuser l'énergie et permettre le lissage effectif de son profil au front d'ablation, c'est-à-dire son " empreinte " sur l'hydrodynamique. Pour une comparaison fiable avec les schémas de cibles concurrents, tels ceux utilisant un ablateur de beryllium, actuellement privilégiés 12 , il est nécessaire de bien connaître leurs propriétés, et notamment leur équation d'état. En effet, le choix final et l'optimisation de la cible sont effectués essentiellement sur la base de simulations hydrodynamiques, dont la validité dépend notamment de celle des équations d'état utilisées. Dans le cadre des expériences d'astrophysique en laboratoire, les mousses plastiques offrent un moyen de simuler les milieux de faible densité relative. Elle peuvent être utilisées par exemple comme analogue d'atmosphères stellaires ou du milieu interstellaire. On citera notamment les expériences de Drake et al. 13,14 et Benuzzi et al. 15 , simulant l'explosion d'une supernova. L'intérêt majeur des expériences réalisables actuellement avec des lasers intenses semble résider dans la validation des codes hydrodynamiques utilisés par les astrophysiciens 16 . Une comparaison détaillée des résultats numériques et des résultats expérimentaux demande à nouveau une bonne connaissance de l'équation d'état des matériaux utilisés comme analogues des milieux astrophysiques. Du fait de leur faible densité, les mousses plastiques présentent également un intérêt dans le cadre d'expériences de mesure d'équation d'état d'autres matériaux par choc laser 17 : Leur emploi comme ablateur permet d'atteindre des pressions de choc élevées grâce au phénomène de désadaptation d'impédance, tout en minimisant le préchauffage radiatif du fait de leur faible numéro atomique. Enfin, une bonne connaissance de l'équation d'état suppose la capacité d'explorer un large domaine de l'espace des phases. Or, tous les états d'un matériau accessibles avec une onde de choc se situent sur une même courbe (courbe d'Hugoniot). Afin de surmonter cette limitation, plusieurs approches sont utilisées. On peut par exemple avoir recours à des chocs multiples 18 , pour se rapprocher de la courbe de compression isentropique du matériau, ou mesurer sa détente à partir d'un état sous choc19 . Une autre voie consiste à partir d'un état différent du matériau, soit en le comprimant préalablement par une méthode statique, soit, pour partir d'une densité initiale réduite, en utilisant un matériau poreux20 . L'étude des matériaux poreux s'inscrit donc dans le cadre général de l'exploration d'états exotiques de la matière. Etat des connaissances avant la thèse Lorsque nous avons entrepris cette étude les équations d'état disponibles pour les mousses plastiques reposaient sur des résultats expérimentaux très peu nombreux, à relativement basse pression (kbar), obtenus à l'aide de canons à gaz. Il s'agit essentiellement des travaux de Holmes 21 , fournissant un seul point de mesure sur la polaire de choc d'une mousse de polystyrène de 139 mg/cm3 , à 40 kbar. L'apparition récente de méthodes précises de mesure d'équation d'état à l'aide d'ondes de choc générées par laser 9 permettait donc d'envisager leur application au cas des mousses plastiques, dans un domaine encore inexploré de pressions et températures.