Partie II Formation et mesure des param` etres du jet de plasma 71
4.2 Description de la cible : Cˆone de mousse
Au cours de ce travail de th`ese, nous avons explor´e plusieurs g´eom´etries de cible pour confiner et g´en´erer un jet plasma que se soit sur les installations laser LULI2000, GEKKO XII, VULCAN et ASTRA. Nous d´etaillons ici plus particuli`erement le sch´ema de cible sur lequel porte ce travail de th`ese : le cˆone de mousse d´evelopp´e par le groupe PHYHDEL. Pour les autres types de cibles test´ees, nous dirigeons le lecteur vers les articles associ´es `a l’exp´erience sur VULCAN au RAL [128], celle r´ealis´ee sur ASTRA2 [122], et enfin celle utilisant le sch´ema de cible de l’´equipe Japonaise utilis´ees `a ILE [129] .
Le principe de g´en´eration du jet de plasma `a l’aide des cibles ”cˆone de mousse” est d´ecrit sur la figure 4.1 qui pr´esente les ´etapes de l’´evolution du plasma dans la cˆone de sa formation (choc)
2Laser `a haut taux de r´ep´etition se situant au Rutherford Appleton Laboratory en Angleterre
Figure 4.1 Principe de formation du jet de plasma
`a sa collimation. Lors du processus d’ablation (d´ecrit au chapitre 3.1.1), un choc est cr´e´e et se propage dans la cible solide puis dans la mousse qu’il va comprimer et chauffer. Le plasma est ensuite guid´e sur l’axe du cˆone et dans un cylindre (ou rondelle) en sortie du cˆone de mousse pour former le jet. Le processus exact de g´en´eration du jet dans le cˆone est complexe et les d´etails ne sont pas compl`etement ´etablis. En effet, nous n’avons pas pu acc´eder `a des mesures exp´erimentales de la propagation du choc dans le cˆone rendant difficile toute interpr´etation. De plus, mˆeme si des simulations 2D ont ´et´e r´ealis´ees (chapitre 6), il reste d´elicat de les utiliser comme moyen d’interpr´etation car elles sont extrˆemement sensibles au maillage choisi, ainsi qu’aux conditions aux limites sur les parois du cˆone.
La flexibilit´e de la cible est assur´ee par la possibilit´e d’en faire varier les caract´eristiques telles que les ´epaisseurs du bicouche solide, l’angle du cˆone, la densit´e et la composition de la mousse ainsi que les conditions lasers (lame de phase, intensit´e) dont les d´etails sont pr´esent´es ci-dessous. Une grande partie de ces caract´eristiques ont ´et´e explor´ees et modifi´ees lors de nos exp´eriences. Les changements induits sur la dynamique du jet sont d´ecrits en d´etail dans le chapitre 6 consacr´e aux donn´ees exp´erimentales ainsi qu’`a leur analyse.
Figure 4.2 Photographie de la cible face arri`ere enti`erement mont´ee avant d’ˆetre utilis´ee au centre de l’enceinte en exp´erience.
Sur la figure 4.2, nous pr´esentons une photographie en face arri`ere d’une cible compl`etement mont´ee (l’assemblage g´en´eral de la cible effectu´e au LULI) et compos´ee de la fa¸con suivante :
⋆ Une cible solide cˆot´e laser
La premi`ere partie de notre cible est tr`es classique dans le sens o`u elle est con¸cue pour g´en´erer un choc fort tout en minimisant les effets de pr´echauffage. Cela consiste donc en une cible solide, bicouche, qui fait fonction d’ablateur et de pousseur. Ses caract´eristiques ont ´et´e choisies (tableau 4.3) en accord avec l’intensit´e laser `a disposition lors de la derni`ere exp´erience (voir ci-dessous campagne de f´evrier 2008) pour se placer dans des conditions identiques aux premiers tirs (tirs de novembre 2005). Ce dimensionnement est r´ealis´e `a l’aide de simulations num´eriques pr´esent´ees dans le chapitre 4.4 ci-dessous. La composition du bicouche permet une acc´el´eration du choc dans la mousse comme nous l’avons vu dans le chapitre 3.1.2.1. La cible solide est constitu´ee :
– d’un ablateur de plastique (CH) qui est un mat´eriau de Z faible pour ´eviter une g´en´eration importante de rayonnement X,
– d’un bouclier de titane (Ti) pour bloquer le rayonnement restant et pr´eserver la mousse d’un pr´echauffage important [130]. Par ailleurs une mince couche d’aluminium cˆot´e laser a
´et´e utilis´ee pour ´eviter toute irradiation laser directe possible au tout d´ebut de l’impulsion, ce qu’on appelle le ”shinethrough” en anglais.
La cible solide permet de g´en´erer un choc fort dont les caract´eristiques (vitesse, pression) peuvent ˆetre parfaitement estim´ees grˆace aux simulations num´eriques avant l’entr´ee dans le cˆone de mousse. Pour les premiers tirs sur les cˆones de mousse nous avons utilis´e des bicouches d´ej`a fabriqu´es pour les exp´eriences de choc radiatif pr´ec´edant ce travail de th`ese (th`ese de T.
Vinci). La premi`ere campagne exp´erimentale s’est d´eroul´ee dans une phase de mise en route de l’installation LULI2000 dont les caract´eristiques (´energie sur cible et forme de l’impulsion) ont
´evolu´e au cours de mon travail de th`ese. Bien que le bicouche initial n’´etait pas le plus favorable
`a notre sch´ema de cible, nous avons d´ecid´e d’en maintenir les caract´eristiques (mat´eriaux et
´epaisseurs). La connaissance du choc incident `a la sortie de la cible solide, facilite la compr´e-hension de la propagation du choc dans le cˆone et son ´etude analytique.
⋆ Un trou conique rempli de mousse
Le bicouche est coll´e `a l’entr´ee d’un trou conique form´e par ´electro-´erosion dans une plaque
Figure 4.3 Sch´ema des cˆones. (a) on y voit la composition de la cible (cible solide + cˆone de mousse). (b) g´en´eration du choc. (c) formation de jet de plasma.
d’acier inoxydable de 250µm d’´epaisseur. Deux angles du cˆone ont ´et´e utilis´es en ad´equation avec la dimension de la tˆache focale du faisceau laser : un grand angle (α= 38,7◦) pour la tˆache focale de 500µm et un petit angle (α = 21,8◦) pour celle de 200µm comme cela est sch´ematis´e sur la figure 4.3.
Les cˆones sont remplis d’une mousse de TriMethylolPropane TriAcrylate (TMPTA) de diff´e-rentes densit´es [131, 132], allant de 20 mg.cm−3 jusqu’`a 200 mg.cm−3 (incertitude sur la densit´e de la mousse ∼ 10%). L’avantage de la mousse est de pouvoir atteindre, en fonction des
´ener-gies laser disponibles durant les exp´eriences, une vitesse de choc importante (n´ecessaire pour atteindre la similarit´e), plus facilement que pour une cible solide `a densit´e nominale.
Pour les besoins du diagnostic de radiographie X (chapitre 5.1.3), la mousse a ´et´e dop´ee en brome (Br) afin d’obtenir un contraste suffisant. De plus, la variation de pourcentage en masse du dopant a ´et´e utilis´ee pour observer si la dynamique du jet est modifi´ee par l’augmentation possible des pertes radiatives. Nous avons donc utilis´e des mousses contenant plus ou moins de brome, de 5 `a 30% en masse.
Les formules empiriques ainsi que les caract´eristiques des mousses dop´ees utilis´ees sont pr´esent´ees dans le tableau 4.1. La masse molaire moyenne mol´eculaire,M, et le num´ero atomique moyen, Z sont d´efinis par :
M = P
iniM i P
ini (4.1)
Z = P
iniZi P
ini
(4.2) Pour une esp`ece i de la mol´ecule, Mi est la masse molaire atomique, Zi le num´ero atomique et ni le nombre d’atomes de l’esp`ece i.
Dopant en Br (%) Formule empirique M (g/mol) Z
0 C15H20O6 7.22 3.85
5 C51H38O19Br0,6 9.2 4.7
20 C43H32O16Br2,5 10.7 5.4
30 C37H28O14Br3,7 12 5.9
Tableau 4.1 Formule empirique, masse molaire et num´ero atomique moyen de la mousse dop´ee en Br.
⋆ Un cylindre ”collimateur” en sortie du cˆone
Afin de forcer la collimation, un cylindre (en anglais ”washer”) a ´et´e ajout´e pour la majorit´e
50!m
Axe de symétrie du cône
cylindre collimateur
mousse
Figure 4.4 Cylindre collimateur en sortie du cˆone de mousse.
des tirs et, pour certains, nous avons pu comparer l’influence de ce trou de guidage sur l’´evolution
du jet de plasma en sortie du cˆone (figure 4.4). Celui-ci, ´egalement fabriqu´e par ´electro-´erosion dans une plaque d’acier, a un diam`etre et une longueur de 100µm. Le collage de ce cylindre `a la sortie du cˆone ´etait une partie critique de la fabrication de la cible. On comprend bien que le positionnement pr´ecis de ce cylindre (centr´e sur l’axe du cˆone) ´etait absolument n´ecessaire pour ´eviter toute perturbation sur la g´en´eration du jet de plasma ou d´eviation de sa propagation.