Equation of state of laser-shocked compressed iron

Equation d'état du fer comprimé par choc laser

Gael Huser (1)

1 LULI - Laboratoire pour l'utilisation des lasers intenses

This PhD thesis enters the field of highly compressed materials equation of state studies. In particular, it focuses on the case of laser shock compressed iron. This work indeed aims at getting to the conditions of the Earth's core, comprising a solid inner core and a liquid outer core. The understanding of phenomena governing the core's thermodynamics and the geodynamo process requires the knowledge of iron melting line locus around the solid-liquid interface at 3.3 Mbar. Several experiments were performed to that extent. First, an absolute measurement of iron Hugoniot was obtained. Following is a study of partially released states of iron into a window material : lithium fluoride (LiF). This configuration enables direct access to compressed iron optical propreties such as reflectivity and self-emission. Interface velocity measurement is dominated by compressed LiF optical properties and is used as a pressure gauge. Using a dual wavelength reflectivity diagnostic, compressed iron electrical conductivity was estimated and found to be in good agreement with previous results found in geophysics literature. Self-emission diagnostic was used to measure temperature of partially released iron and revealed a solid-liquid phase transition at Mbar pressures.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre des recherches menées sur l'équation d'état de matériaux fortement comprimés. En particulier cette étude se focalise sur le cas du fer comprimé par choc laser. Le but est alors de se rapprocher des conditions du noyau terrestre, constitué d'une graine solide entourée de fer liquide. La compréhension des phénomènes décrivant la thermodynamique du noyau et le processus de géodynamo requiert la connaissance du lieu de la courbe de fusion du fer à l'interface solide-liquide du noyau à 3,3 Mbar. Plusieurs expériences ont été menées dans ce but. Dans un premier temps, une mesure absolue de l'Hugoniot du fer a été effectuée. Vient ensuite une étude des états en détente partielle du fer dans un matériau fenêtre, le fluorure de lithium (LiF). Cette configuration permet un accès direct aux propriétés optiques du fer comprimé (réflectivité et émission propre). La mesure de la vitesse d'interface, largement dépendante des propriétés optiques du LiF comprimé, sert de jauge de pression. A l'aide d'un diagnostic de réflectivité à deux longueurs d'onde, la conductivité électrique continue du fer comprimé a été estimée et se trouve être en bon accord avec les résultats annoncés par la littérature géophysique. Le diagnostic d'émission propre a quant à lui permis d'effectuer une mesure de la température du fer en détente partielle, mettant en évidence le changement d'état solide-liquide à des pressions de l'ordre du Mbar.

Mots clés: Shockwaves; geophysics; Hugoniot curve; VISAR interferometry; reflectivity; self-emission; shock temperature; partial release; LiF window material; iron melting curve

Mots clés: Ondes de choc; géophysique; courbe d'Hugoniot; interférométrie VISAR; réflectivité; émission propre; température de choc; détente partielle; matériau fenêtre LiF; courbe de fusion du fer

Domaines: Physique Atomique [physics.atom-ph]; Dynamique des Fluides [physics.flu-dyn]; Géophysique [physics.geo-ph]

Gael Huser. Equation d'état du fer comprimé par choc laser. Physique Atomique [physics.atom-ph]. Ecole Polytechnique X, 2004. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00006895⟩