Insight into the Photon Doppler Velocimetry response of high-speed micron-sized metallic ejecta cloud
Interaction lumière-nuage de particules micrométriques hautes vitesses : application à la Vélocimétrie Hétérodyne
Résumé
As a shockwave reaches a roughened metal’s surface, high-speed micron-sized particles are ejected. The spectral signature of the cloud can be measured using a fiber-based interferometric setup, so-called Photon Doppler velocimetry (PDV).In the single scattering regime, we study how the parametric dependencies of the cloud influence its Doppler response. Using a Maximum Likelihood technique, we estimate the mass-velocity function of ejected material, and its uncertainty. The time-dependent statistical properties of the spectrum, coming from the complex optical collection efficiency of the probe, are also explained.We present a Monte Carlo method to incorporate multiple scattering. Three different ejecta experiments are studied and the presence of non-physical velocities attributed to multiple scattering between surface and ejecta. Cloud’s visibility and backscattered power decrease with time due to the existence of different scattering regimes. Whatever the ejected mass, multiple scattering effects have to be integrated in PDV calculations. A single scattering will only be asymptotically valid, when time reaches infinity and/or the beam diameter is negligible with respect to the scattering mean free paths.
Au passage d’un choc sur la surface rugueuse d’un métal, un nuage de débris micrométriques est éjecté. Sa signature spectrale temps-vitesse est mesurée au moyen d’un système optique interférométrique : la Vélocimétrie Hétérodyne (VH).Dans un régime de diffusion simple de la lumière, une étude paramétrique a mis en évidence l’influence des paramètres clés du nuage sur sa réponse Doppler. Nous avons estimé, par Maximum de Vraisemblance, la courbe masse-vitesse d’un nuage d’étain et l’incertitude associée. L’allure de la mesure a également été étudiée en incorporant aux calculs le rendement optique de la sonde.Nous présentons une méthode de calcul Monte Carlo, rendant compte des effets de diffusion multiple. Appliquée à trois expériences d’éjection d’or et d’étain, la présence de vitesses non physiques sur la mesure VH, liée aux diffusions multiples nuage-surface-nuage, a été soulignée, et les décroissances progressives de la visibilité en vitesse et de la puissance rétrodiffusée justifiées. Quelle que soit la masse éjectée, la diffusion multiple doit être intégrée aux calculs, un régime de diffusion simple n’étant valable qu’asymptotiquement, dans les limites d’un temps infini et/ou d’un faisceau sonde de dimension réduite par rapport aux libres parcours moyen de diffusion.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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