Au cours de cette thèse des expériences d’astrophysique de laboratoire utilisant une approche de choc laser ont été réalisées. Dans les parties précédentes, nous avons présenté les différents lasers utilisés, décrit le principe de création d’ondes de choc par laser et expliqué en quoi les conditions ainsi obtenues sont comparables aux systèmes astrophysiques. Afin de pouvoir répondre aux problématiques que nous nous sommes posées, à savoir l’étude d’IRT relative aux RSN, une bonne conception des expériences est importante. Plus particulièrement, le choix des cibles est critique, car celles-ci impactent directement les phénomènes physiques mis en jeu et donc les résultats observables.
Dans cette partie nous allons présenter les cibles utilisées. Nous verrons dans un premier temps les objectifs que doivent remplir les cibles ainsi que leurs différentes conceptions. Dans un second temps, nous expliquerons plus en détail le rôle des différents éléments constitutifs des cibles. Enfin nous présenterons les problèmes rencontrés lors de leur utilisation.
3.2.1 Présentation des cibles
Les cibles peuvent être considérées comme l’élément de base de toutes nos expériences. Ce sont des objets à usage unique dont l’irradiation produit le plasma étudié (et les détruit). Le choix des cibles est primordial car il influence directement la physique étudiée. Ainsi les cibles pour l’étude de choc radiatif [Mic+18], de choc d’accré-tion [Mab+19b;Van+18], d’équation d’état [Gua+19] ou d’onde de souffle ne se ressembleront pas. C’est dans la conception des cibles adaptée à chaque expérience que réside l’originalité. Il est plus aisé de changer la conception des cibles plutôt que celle du laser.
Avant de présenter les cibles, que nous avons utilisées, il nous paraît important de bien définir les objectifs de nos expériences. Ici, nous nous intéressons aux IRT dans un contexte d’astrophysique de laboratoire et d’étude de phénomènes potentiellement turbulents. Plus précisément nous visons à parfaire notre compréhension de l’évo-lution de ces instabilités dans les RSN. Nos cibles devront donc permettre le développement d’IRT, et le plasma créé après ablation laser des cibles doit être le plus similaire possible à celui des RSN (il doit au moins y avoir
3.2. Des cibles favorisant l’IRT
FIGURE3.5 – Photographies et schémas des différentes cibles utilisées au cours de cette thèse. Ces cibles
com-portent toutes un ablateur, en plastique C8H8, un pousseur, en plastique bromé, C8H7Br, et un milieu extérieur. Ce milieu peut soit être un gaz, du xénon ou de l’hélium (A : photographie d’une cellule à gaz, B : schéma de cible cor-respondant), soit être une mousse de résorcine de formaldéhyde, C15H12O4(C : photographie d’une cellule à gaz, D et E : schéma des cibles correspondant). Certaines possèdent aussi un bouclier en or compris entre l’ablateur et le pousseur (B,D). Celui-ci permet de limiter le préchauffage du reste de la cible lié aux rayons X produit par le plasma de couronne (dans le cadre de l’utilisation de lasers suffisamment puissants). Sur l’ensemble de ces schémas le laser arrive du bas pour atteindre l’ablateur.
ressemblance). Nous nous intéressons plus précisément à l’interface extérieure des RSN : entre éjecta et milieu interstellaire choqué, qui est moins dense. Nous avons vu que cette interface est instable du fait de sa décélération. Nos cibles doivent donc permettre, après ablation, l’expansion d’un plasma dense au sein d’un milieu choqué moins dense. De plus l’interface entre ces deux milieux doit décélérer. Accessoirement il est utile que cette interface puisse être observée, étant notre objet d’étude.
D’autres aspects des RSN nous ont aussi intéressés au cours de nos études. Nous avons considéré la présence de champ magnétique dans le milieu interstellaire pouvant influencer la croissance des instabilités. Lors de tels études annexes, nos cibles doivent donc être compatibles avec la présence d’un tel champ magnétique ainsi que l’appareillage utilisé pour le créer. Nous nous sommes aussi penchés sur l’aspect radiatif de certaines RSN (surtout au temps long de leur évolution). Celui-ci peut influencer la dynamique des IRT. Certaines de nos cibles ont donc été conçues pour permettre la création de choc radiatif précédent l’interface instable.
Au cours de cette thèse nous avons utilisé trois modèles de cibles différents ainsi que quelques modifications et améliorations de ces derniers. Ces modèles de cibles, représentés en figure 3.5, présentent de nombreuses similarités. D’un point de vue général, ils sont constitués d’une série de couches, dans l’ordre : un ablateur, un bouclier (optionnel), un pousseur, et un milieu extérieur. Nous pouvons noter qu’un flash d’aluminium est déposé sur l’ablateur afin d’empêcher le passage du laser (effet de shine through). Enfin le pousseur présente une modulation initiale.
Nous distinguerons chaque modèle en fonction de son utilité. Les cibles comportant les trois couches et ayant un gaz pour milieu extérieur sont utilisées pour l’étude de l’IRT radiative. Les deux autres modèles ayant un solide (mousse) comme milieu extérieur permettent l’étude de l’IRT en phase de forte décélération. La seule différence les différenciant est la présence ou non du bouclier. Le modèle sans bouclier n’est utilisé que sur des installations laser de faible puissance (SACLA) nous reviendrons sur ce point dans la partie suivante.
D’un point de vue matériaux et dimensionnement, l’ensemble des cibles est similaire. L’ablateur fait 10 µm d’épaisseur et est constitué de parylène (C8H8). Il est précédé d’un flash d’aluminium d’environ 0,3 µm (dépôt non uniforme et non caractérisé). Le bouclier, s’il existe, consiste en une couche de 1 µm d’or (Au). Le pousseur consiste en une couche de plastique bromé (C8H7Br) d’une épaisseur moyenne de 40 µm. Cette couche est modulée, son
La conception des cibles précédentes n’est bien entendu pas laissée au hasard. Le choix des couches suc-cessives, de leur épaisseur et des matériaux les constituant répond à des besoins précis. Nous allons à présent présenter le rôle de chaque couche ainsi que les contraintes de leur dimensionnement. Après quoi nous nous concentrerons plus spécifiquement sur l’interface entre pousseur et milieu extérieur.
3.2.2.1 Cible multi-couche : utilité et conception
Nous avons vu précédemment que la cible est multi-couche : ablateur, bouclier, pousseur, milieu extérieur. La première question que nous pourrions nous poser est celle de l’utilité de chaque couche. En répondant à celle-ci nous seront à même de comprendre le choix de matériaux la constituant ainsi que ses dimensions.
L’ablateur L’ablateur est la première couche de nos cibles. C’est la couche irradiée par le laser, qui sert à créer
l’onde de choc lors de son ablation. Idéalement l’ablateur est suffisamment épais afin que le front d’ablation ne le traverse pas entièrement, il ne doit pas être entièrement ablaté à la fin du tir laser. Son épaisseur ne doit cependant pas être trop importante afin que l’onde de choc le traversant ne décroisse pas (perte d’énergie lors de sa propaga-tion lorsque le choc n’est plus soutenu par le laser). Nous noterons cependant que ce dernier point va à l’encontre de l’utilisation des lames de phase, qui nécessitent une grande distance de propagation du choc pour permettre son lissage. Théoriquement, il faudrait choisir sa matière afin de maximiser l’absorption de l’énergie laser. Si nous nous référons à l’équation (1.14) cela revient à maximiser le rapport A/Z (masse atomique sur numéro atomique), qui est quasi-constant (∼2) sur l’ensemble des matériaux légers au vue de la vallée de stabilité (isotope). Autrement dit tout matériau pourrait convenir. Il faut toutefois tenir compte du fait que le plasma de couronne (plasma d’ablation) rayonne et que ce rayonnement peut chauffer la cible avant le passage du choc (on parle de préchauffage). Afin de limiter ce dernier phénomène il est nécessaire d’utiliser des matériaux à faible numéro atomique. Les plastiques répondent à ces critères et présentent une facilité d’usinage, ce qui en font des matériaux de choix pour fabriquer des ablateurs.
Dans nos cibles, nous avons choisi l’épaisseur de cette couche à l’aide de simulations MULTI. Celles-ci nous montrent que, dans des conditions laser normales pour nos expériences (GEKKO XII, LULI2000), seulement 6 à 7 µm de matière sont ablatés (voir figure3.6). Par ailleurs le plastique utilisé présente un bon compromis entre faible numéro atomique, absorption d’énergie laser, disponibilité et coût. Le seul problème est qu’initialement, lorsqu’il n’est pas sous forme plasma, il est transparent aux longueurs d’onde employées. Il est donc nécessaire d’utiliser un flash d’aluminium afin d’empêcher la traversée du laser.
Le bouclier Le bouclier sert à bloquer tout rayonnement X provenant du plasma de couronne pouvant préchauffer
le reste de la cible, notamment le milieu extérieur. De ce fait il est habituellement constitué de matériaux de numéro atomique élevé présentant une grande plage d’absorption correspondant aux émissions de la couronne. Idéale-ment il laisse entièreIdéale-ment passer le choc sans perte d’énergie. Ce n’est toutefois pas possible, car il introduit une interface (une partie de l’énergie transportée par le choc sera donc réfléchie). Afin de limiter les pertes d’énergie, son épaisseur doit être limitée (à quelques microns).
Des simulations MULTI, nous ont permis de vérifier qu’une couche d’un micron d’or suffit à remplir ce rôle (voir figure3.7). Dans le cas de l’utilisation de laser de faible puissance (SACLA) l’émission X du plasma de couronne est suffisamment faible pour permettre de se passer de cette couche.
3.2. Des cibles favorisant l’IRT
FIGURE3.6 – Simulation MULTI de l’ablateur de plastique soumis au rayonnement laser nano2000. La température
électronique augmente fortement lors de l’ablation de la matière par laser. Nous constatons ici que moins de 7 µm de plastique est ablaté.
FIGURE3.7 – Résultats de simulations MULTI, pour une intensité laser de 9 × 1013W.cm−3 (1,5 ns) pour une cible
solide 10 µm CH / 1 µm Au / 40 µm CHBr, mettant en évidence l’utilité de l’utilisation d’un bouclier de 1 µm d’or dans les cibles avec gaz (xénon). Ici l’évolution temporelle de la température électronique des 100 premiers microns d’hélium est représentée jusqu’à l’arrivée du choc. En l’absence de bouclier (droite) la température électronique augmente fortement (jusqu’à 0,5 eV), ce qui n’est pas le cas en présence du bouclier où elle reste quasi-constante (gauche).
FIGURE 3.8 – Simulation MULTI, dans les conditions LULI2000 (1,2 × 1014 W.cm−2 après facteur rectificatif en 1,5 ns, cible complète : avec bouclier d’or), mettant en évidence les multiples chocs se rattrapant au sein du pous-seur.
Le pousseur Le pousseur est à techniquement parler la dernière couche de la cible. Après passage de l’onde de
choc, il va se détendre dans le milieu extérieur. Il n’y a en soit que peu de contraintes sur son dimensionnement ou le choix des matériaux le constituant.
Nous avons choisi l’épaisseur du pousseur à l’aide de simulations MULTI. Il doit être suffisamment épais pour que les multiples ondes de choc, dues aux allers-retours dans le bouclier, se rattrapent en son sein (voir figure 3.8). Cela nous permet de n’avoir qu’un seul choc débouchant vers le milieu extérieur. D’après nos simulations, son épaisseur doit être supérieure à 25 µm dans notre cas, et à 30 µm si seulement 10 % de l’intensité laser est délivrée. En prenant en compte la modulation du pousseur et en ajoutant une marge de sécurité, nous arrivons à 40 µm. Il faut noter que trop épaissir le pousseur n’est pas souhaitable si l’on veut limiter les pertes d’énergie.
Le choix du matériau du pousseur, C8H7Br, repose sur deux points. D’une part, le couple pousseur milieu extérieur doit permettre la création d’une situation similaire au cas astrophysique représenté. D’autre part, il doit répondre aux contraintes de mesures imposées par les diagnostics. En particulier le brome assure une bonne absorption des rayons X, permettant la réalisation de radiographie contrastée (voir partie sur les diagnostics).
Le milieu extérieur solide Le milieu extérieur n’est qu’un milieu ambiant dans lequel le pousseur va se détendre
et qui va être traversé par le choc transmis. Si nous souhaitons favoriser la décélération de son interface avec le pousseur, il faut favoriser des milieux denses. C’est pourquoi nous utilisons une mousse (solide). Le choix de sa densité dépend de la décélération souhaitée (plus il est dense plus elle sera abrupte), et du nombre d’Atwood désiré. Dans nos cas d’étude, nous privilégions un milieu extérieur moins dense que le pousseur.
La matière le constituant doit donc répondre d’une part à ces contraintes de densité, d’autre part, à celles des diagnostics.
Il est à noter que l’utilisation d’une mousse impose l’emploi d’un tube pour la maintenir lors des expériences.
Le milieu extérieur gazeux Tout comme pour le milieu extérieur solide, le milieu extérieur gazeux est choqué au cours de l’expérience et sert de milieu ambiant dans lequel le pousseur se détend. L’utilisation de gaz sous-entend des densités et donc des décélérations d’interface plus faibles que dans le cas du solide. De plus la gamme de nombre d’Atwood atteignable est réduite. Ce milieu ne permet donc pas l’étude d’IRT dans un cas similaire au cas astrophysique. Par contre, le choix des gaz permet l’étude d’IRT radiative.
En présence d’un gaz à haut numéro atomique, un choc suffisamment rapide devient radiatif [Mic+18]. Nous utilisons donc du xénon pour permettre la création de choc radiatif et de l’hélium comme cas de référence. Afin d’étudier l’effet de ces chocs radiatifs sur l’évolution de l’instabilité, tout autre paramètre est à conserver constant ; en particulier le nombre d’Atwood et donc la densité des gaz.
Il est à noter que l’utilisation de gaz nécessite l’utilisation d’un contenant pour ceux-ci. Des cellules développées au LULI avec l’observatoire de Meudon permettent de stocker le gaz à des pressions comprises entre 1 × 10−3et 1 bar, tout en permettant l’utilisation de diagnostics à rayons X ou optiques (fenêtres latérales).
Nous pouvons dès à présent noter que l’appellation IRT radiative est un abus de langage. Il faudrait lui préférer l’appellation d’IRT suivant un choc radiatif.
3.2. Des cibles favorisant l’IRT
FIGURE 3.9 – Comparaison entre système astrophysique de type RSN et expérience. A : Image de la nébuleuse
du Crabe (Hubble). B : Simulation tirée de [Fra+10] montrant l’expansion d’un RSN. Si nous nous concentrons sur l’interface entre milieu interstellaire (MIS) choqué et éjecta de SN (C), celle-ci est instable. D : Dans nos expériences cette interface correspond à celle entre mousse choquée et pousseur s’étendant.
3.2.2.2 L’interface pousseur-milieu extérieur : l’étude des IRT
Dans l’ensemble des modèles de cibles décrits précédemment, notre objet d’étude est l’interface entre le pous-seur et le milieu extérieur. Cette interface s’étend dans le milieu extérieur où elle décélère. Comme le pouspous-seur est plus dense que le milieu extérieur, l’interface est instable selon l’IRT. Par ailleurs, l’interface est traversée par une onde de choc, elle est également instable selon l’IRM.
Par comparaison aux différents cas HDE, le pousseur serait l’équivalent de l’éjecta (respectivement la coquille) pour les RSN (respectivement la FCI) et le milieu extérieur imite le milieu interstellaire (respectivement au cœur de la capsule). Le schéma3.9montre ce parallèle. La principale différence entre l’expérience et les cas auxquels elle se rapporte est la géométrie. En expérience, elle est cartésienne alors qu’en FCI et en astrophysique elle est sphérique convergente (FCI) ou divergente (SNR). Cela aura bien entendu des conséquences, notamment sur la dilution des milieux.
Dans nos expériences, l’interface entre pousseur et milieu extérieur est modulée. Cette modulation pré-imposée permet de favoriser la croissance de certains modes de l’IRT. En effet, si l’amplitude de la modulation est suffisante, ses composantes spectrales seront prédominantes lors de la croissance de l’IRT et seront donc plus visibles. Cet aspect est recherché en expérience car il permet un contrôle sur l’instabilité et par conséquent une répétabilité des expériences. En l’absence d’une telle modulation, ce sont les imperfections des cibles (rugosité des matériaux, défauts de fabrication), celles du laser (points chauds) ou le bruit thermique qui détermineront les modes spectraux se développant. Cela revient à une forme de hasard, aucun tir ne pourra être exactement reproduit. De plus la compréhension de résultat expérimentaux soumis à ce hasard est problématique car une partie des données, à savoir les conditions initiales, est manquante.
Les modulations utilisées lors de nos expériences sont unidimensionnelles. Par cela nous entendons que la modulation ne dépend que de l’un des axes du plan de la cible, tout comme pour une tôle ondulée. De manière générale, l’épaisseur du pousseur peut s’exprimer comme :
h(x, y) = h0+X
i
aicos(2πx λi
+ φi) (3.4)
avec h0 son épaisseur moyenne (40 µm) et ai, φi et λi les coefficients correspondant à l’amplitude, le déphasage et la longueur d’onde des modulations. Nous pouvons remarquer que l’épaisseur, h, ne dépend pas de y.
Au cours de nos expériences, nous avons utilisé deux types de modulations : des modulations mono-modes et des bi-modes. Autrement dit la somme de une ou deux sinusoïdes de la formule précédente (voir figure3.10). Dans le cas des bi-modes les amplitudes des deux sinusoïdes le constituant sont identiques. Le tableau3.2donne les caractéristiques des différentes cibles utilisées.
120 µm et d’amplitude 10 µm. B : Modulation bi-mode de longueur d’onde 70 et 130 µm et d’amplitude 10 et 10 µm. C : Photographie d’un pousseur ayant une modulation mono-mode vue du dessus.
Cible Installation Bouclier Milieu extérieur ai λi
Gaz I GEKKO XII Oui Gaz 5 µm 50 µm
Gaz II GEKKO XII Oui Gaz 10 µm 100 µm
Gaz III GEKKO XII Oui Gaz 15 µm 150 µm
Gaz LULI GEKKO XII et LULI2000 Oui Gaz 10 µm 120 µm
Plate LULI2000 Oui Mousse 0 µm –
Mono-mode LULI2000 Oui Mousse 10 µm 120 µm
Bi-mode LULI2000 Oui Mousse 10 µm et 10 µm 70 µm et 130 µm
Mono-mode -S SACLA Non Mousse 5 µm 40 µm
Bi-mode -S SACLA Non Mousse 5 µm et 5 µm 15 µm et 40 µm
TABLE3.2 – Tableau récapitulatif des différents modèles de cibles utilisés lors de cette thèse.
3.2.3 Problèmes liés aux cibles
Nous venons de présenter l’ensemble des caractéristiques idéales de nos cibles. Mais, tout comme dans de nombreux cas, il y a une différence entre la conception et la réalisation. Dans cette partie nous listerons les dif-férents problèmes liés aux cibles que nous avons rencontrés lors de nos expériences. Nous en donnerons les conséquences ainsi que les différentes méthodes utilisées pour limiter ces problèmes.
3.2.3.1 Une cible opaque
L’utilisation d’un milieu extérieur solide pose le problème de son opacité et des possibilités de mesure. Les mousses de plastique présentent des caractéristiques optiques différentes selon leur densité. Ainsi une mousse de plastique ayant une densité proche de la densité nominale peut avoir un aspect transparent au rayonnement visible, alors qu’une mousse de faible densité deviendra opaque à cause de la diffusion (comme pour une suspension de colloïde). Ces propriétés optiques dépendent aussi du type de plastique (formule chimique) et des processus utilisés pour former la mousse. L’ensemble des cibles que nous avons utilisées, à l’exception de celles pour les expériences avec champ magnétique fabriquées par Général Atomics, présente une mousse opaque d’aspect blanchâtre. À cela se rajoute l’utilisation d’un tube en polyimide, opaque à une partie du spectre visible, pour maintenir la mousse. Il en résulte que la mousse ne peut pas être sondée avec des techniques d’imagerie optique classiques.
Nous n’avons pas pu nous affranchir de ce problème. Des essais d’utilisation de mousse sans tube ont été menés. Leurs résultats furent peu concluants et la fragilité des cibles en résultant rédhibitoire. Nous pouvons néan-moins utiliser le rayonnement X pour sonder la matière. Le rayonnement visible ne pouvant être employé que pour sonder les cellules à gaz, ou l’explosion latérale des tubes.
Cela nous amène à ne réellement utiliser qu’un seul diagnostic lors de nos expériences. Cela d’une part limite nos observations, d’autre part cela réduit la confiance que nous pouvons avoir en nos résultats.
3.2. Des cibles favorisant l’IRT
FIGURE3.11 – Mise en évidence de l’utilité d’un support de cible conique. A : En l’absence de support conique les
rayons X produits par le plasma de couronne peuvent éblouir le détecteur à rayons X. Par ailleurs en l’absence de couche d’or dans la cible, la mousse (ou tout autre milieu extérieur) sera préchauffée par ce même rayonnement. B : L’utilisation d’un support conique est donc nécessaire pour empêcher l’éblouissement du détecteur et la couche d’or pour limiter le préchauffage. C : Photographie d’une cible sur son support conique.