Exp´eriences sur LULI2000

Durant cette th`ese, j’ai r´ealis´e plusieurs exp´eriences sur les installations du LULI, du RAL et de l’ILE. Pour des raisons de clart´e du manuscrit et de concision, certaines de ces exp´eriences ne sont pas d´ecrites ici. C’est notamment le cas pour les campagnes avec les cibles de type V feuilles (effectu´ee au RAL avec le laser VULCAN) pour lesquelles les lecteurs pourront satisfaire leur curiosit´e grˆace `a l’article [128] ou la th`ese de C. D. Gregory [121]. Il en est de mˆeme pour l’exp´erience sur la g´en´eration de jet avec une impulsion br`eve et `a haut taux de r´ep´etition [122]

qui a ´et´e r´ealis´e sur le laser ASTRA (RAL). Enfin, certains tirs ont ´et´e r´ealis´es au Japon avec le laser GEKKO XII (ILE) [133].

Dans ce paragraphe, nous allons d´ecrire les param`etres lasers, l’ensemble des diagnostics et les conditions initiales sur les cibles cˆone de mousse des exp´eriences r´ealis´ees au LULI. Par la suite, nous ne ferons plus r´ef´erence aux exp´eriences proprement dites mais uniquement aux r´esultats sous forme de synth`ese par diagnostics ou selon les types de cible. Enfin, la description pr´ecise des diagnostics est faite quant `a elle dans le chapitre 5.

Les premiers tirs ”tests” sur ces cibles (en pr´eparation des campagnes suivantes) ont ´et´e r´ealis´es au cours d’une exp´erience d´edi´ee `a l’´etude de la collision de choc (campagne ”double choc” chapitre 7) en novembre 2005. Deux campagnes exp´erimentales attribu´ees `a l’´etude des jets de plasma ont ´et´e effectu´ees sur l’installation laser LULI2000 : celles de mai 2006 et de f´e-vrier 2008. Par ailleurs, lors d’une campagne consacr´ee aux chocs radiatifs (janvier 2006), nous avons b´en´efici´e du diagnostic principal mis en place (radiographie X `a 2,382 ˚A soit ∼ 5.2keV) permettant d’obtenir la densit´e du jet de plasma. L’objectif de la campagne de f´evrier 2008 a

´et´e d’´etudier l’interaction du jet avec un milieu ambiant, et cela `a l’aide des nouvelles caract´e-ristiques de LULI2000, le laser Pico2000. Nous avons donc pu utiliser un nouveau diagnostic : la radiographie protonique.

LULI2000

Exp´eriences < E_tot >(ω) Dur´ee Lame de phase Tˆache focale Intensit´e effective

Novembre 2005 1400 J 1.5ns PZP 500µm 7.5×10¹³ W.cm⁻²

Janvier 2006 500 J 1ns PZP 500µm 3.5×10¹³ W.cm⁻²

Mai 2006 1400 J 1.5ns RPP 200µm 3×10¹⁴ W.cm⁻²

F´evrier 2008 1000 J 1.5ns HPP 400µm 8×10¹³ W.cm⁻²

Tableau 4.2 Conditions Laser du LULI2000 pour les exp´eriences de jet de plasma. L’inten-sit´e effective correspond `a l’estimation de l’intensit´e laser sur cible `a 2ω tenant compte de la conversion (∼40%), pertes sur les optiques et 80% d’´energie dans la tˆache focale.

Les diverses conditions laser rencontr´ees au cours des exp´eriences sont r´esum´ees dans le tableau 4.2. Tout d’abord, il est n´ecessaire de pr´eciser que l’´energie laser maximale mise `a disposition d´epend de la dur´ee d’impulsion. Ainsi, pour la campagne de novembre 2005 (resp.

janvier 2006) pour τ = 1.5ns (resp. τ = 1ns) l’´energie est limit´ee `a 1 kJ (resp. 700J) `a ω. Lors de ces campagnes, il a ´et´e difficile d’obtenir de la part de l’´equipe laser une pr´ecision de plus de 30% de l’´energie `a ω en raison notamment de calorim`etres absolus d´efaillants. A cela s’ajoute l’erreur sur le facteur de conversion des KDP, les pertes sur les diff´erents optiques et celles li´ees

`a la focalisation avec des lames de phase (80%). Le seul moyen d’obtenir une valeur d’intensit´e sur cible valable est la mesure des vitesses de choc sur des cibles solides qui sont alors com-par´ees avec des simulations mono-domensionnelles MULTI. L’obtention par simulation de la mˆeme vitesse de choc permet ainsi de remonter `a l’intensit´e sur cible effective. C’est la m´ethode que nous avons tent´ee d’appliquer aussi souvent que possible comme cela est d´ecrit dans le paragraphe 5.2.3. Les intensit´es pr´esent´ees dans le tableau 4.2 tiennent compte de l’ensemble des pertes estim´ees `a l’aide de cette m´ethode (dans la mesure du possible).

Signalons que lorsqu’un diagnostic de radiographie ´etait mis en oeuvre nous n’avons eu `a disposition qu’un seul faisceau laser pour g´en´erer le jet de plasma, l’autre ´etant utilis´e pour cr´eer soit une source X soit une source protonique (janvier 2006 et f´evrier 2008).

Pour l’ensemble des campagnes du LULI, nous avons utilis´e des lames de phase soit RPP pour ”Random Phase Plate”, soit PZP pour ”Phase Zone Plate” et soit HPP pour ”Hybrid Phase Plate” afin d’uniformiser la tˆache focale du faisceau. La raison est qu’il existe, lors de la focalisation du faisceau, des points de surintensit´e dus `a l’interf´erence du faisceau avec lui mˆeme. Ces ”points chauds”, comme on dit commun´ement, entraˆınent des effets non lin´eaires ind´esirables et des instabilit´es hydrodynamiques dues `a un ´eclairement non uniforme de la cible. L’ensemble de ces processus sont `a proscrire pour former un choc uniforme, n´ecessaire dans notre cas. Pour ´eviter ce probl`eme, Y. Kato et al. [134] d´eveloppa en 1984 le principe des lames de phase al´eatoires RPP (Random Phase Plate). Ces lames de phase sont constitu´ees de petits carr´es qui d´ephasent le faisceau de 0 ou π de mani`ere al´eatoire. Chaque petit carr´e agit comme une pupille de diffraction qui divise le faisceau en plein de petits faisceaux. Ces petits faisceaux sont superpos´es par la suite grˆace `a la lentille de focalisation du laser. Le profil d’intensit´e pour les RPP est une enveloppe en sinus cardinal. Pour obtenir un profil plan, nous avons utilis´e des lames PZP (Phase Zone Plate) [135]. Les carr´es sont remplac´es par des lentilles de Fresnel qui permettent d’obtenir un profil supergaussien. Nous avons utilis´e au cours de la derni`ere campagne, une nouvelle g´en´eration de lames de phase : HPP pour ”Hybrid Phase Plate”

(d´evelopp´ee par D. A. Pepler au RAL) qui permet d’obtenir un profil supergaussien sans point chaud central (pr´esent pour les PZP) et qui ´evite la d´efocalisation de la lentille et donc les aberrations qui en d´ecoulent.

4.3.1 Premiers tirs sur les cˆ ones de mousse

Les premiers tirs effectu´es en novembre 2005, pendant la campagne ”double choc” (chapitre 7) ont permis de tester le principe du cˆone rempli de mousse tout en mesurant un grand nombre de param`etres du jet de plasma lors de sa propagation dans le vide. Pour satisfaire les contraintes pr´esent´ees auparavant (4.1), nous avons mis en place des diagnostics dit ”face arri`ere” (dans l’axe du jet de plasma) et ”transverse” (perpendiculairement `a sa propagation) comme d´ecrit sur la figure 4.5 o`u sont sp´ecifi´ees leurs dispositions autour de l’enceinte MILKA du LULI2000 (sch´ematis´ee en violet). Les couleurs prises pour les diagnostics correspondent aux domaines spectraux utilis´es pour chaque diagnostic : rouge pour les VISAR `aλ = 1,06µm, bleu `a λ = 0.450µm pour l’´emissivit´e face arri`ere et enfin vert pour les diagnostics transverses

`a λ = 0.532µm. Lors de cette exp´erience nous avons test´e deux densit´es de mousse, 50 et 100 mg/cc ainsi qu’avec et sans cylindre de collimation `a la sortie du cˆone.

En janvier 2006, dans le cadre de l’exp´erience sur le choc radiatif, nous avons b´en´efici´e du

M!10 f = 200

Visar 2!

Emissivité Face Arrière

CBF

VISARs Face Arrière

CBF

GOI

GOI

f = 300 f = 400

f = 200

f = 100

f = 1000

f = 1000 f = 160

Diagnostics face arrière

BS BS

BS

Miroir ! LASER ns

Laser Sonde

Visar ! Visar !

CBF CBF

M!10 M!10

M!20

Figure 4.5 Exp´erience de novembre 2005. (BS = ”Beam Splitter” pour lame s´eparatrice)

diagnostic de radiographie X pour obtenir, par mesure d’absorption la densit´e du jet de plasma.

Le syst`eme d’imagerie X est bas´e sur un cristal sph´erique 2D [136, 137] qui permet d’atteindre une bonne r´esolution (6 10µm) ainsi qu’une image monochromatique. Le sch´ema simplifi´e de cette campagne exp´erimentale est pr´esent´e sur la figure 4.6. Un seul faisceau g´en`ere le choc dans le bicouche solide alors que le second g´en`ere la source X.

f = 160

Diagnostics face arrière CCDX

LASER ns

Cristal sphérique de quartz (11-20)

Figure 4.6 Exp´erience de Janvier 2006.

4.3.2 Campagne europ´ eenne (mai 2006)

La campagne exp´erimentale de Mai 2006, propos´ee au LULI par N. Woolsey et son ´equipe, avait pour objectif l’´etude de la g´en´eration et de la propagation dans le vide de jet de plasma

`a l’aide de cible dite ”feuilles en V”. Ces cibles sont compos´ees de deux feuilles m´etalliques d’´epaisseur (e), qui sont plac´es en ”V” avec un angleθ par rapport `a l’axe central (figure 4.7).

Les faisceaux laser sont focalis´es sur la partie ext´erieure du V `a une distance d, l’un de l’autre.

Le plasma, face arri`ere de la cible, se d´etend perpendiculairement aux feuilles et stagne sur l’axe des feuilles en V. La composante axiale du moment ´etant quant `a elle conserv´ee, on observe un jet de plasma s’´eloignant du point de stagnation. Au cours de l’exp´erience, nous avons test´e deux angles diff´erents,θ= 45^◦ et 70^◦ ainsi que deux feuilles de mat´eriaux diff´erents : aluminium et or. Pour plus de d´etails sur les r´esultats obtenus avec ce type de cibles, nous dirigons le lecteur vers la th`ese de C. D. Gregory [121] ainsi que l’article [128]. Il est n´ecessaire pour l’utilisation de ces cibles d’avoir une intensit´e laser relativement importante afin d’obtenir une expansion du plasma en face arri`ere la plus rapide possible. Pour cela, nous avons utilis´e une tˆache focale plus petite, de 200µm de diam`etre avec RPP.

!

d

e

LASER ns LASER ns

Figure 4.7 Sch´ema des cibles en V.

Au cours de cette campagne, nous avons ´egalement r´ealis´e un certain nombre de tirs sur nos cibles, modifi´ees en raison de conditions laser diff´erentes des pr´ec´edentes campagnes. Nous avons pu ainsi tester un autre angle du cˆone, 21.8^◦ (figure 4.3), mieux adapt´e `a la dimension de la tˆache focale. Les densit´es de mousse lors de cette campagne ont vari´e de 20mg/cc `a 200mg/cc, soit avec 30% de brome soit sans dopant. Nous avons ´egalement ajout´e un nouveau diagnostic d’´emissivit´e transverse (figure 4.8) afin de sonder en ´emission l’´evolution de la propagation du jet.

Figure 4.8 Exp´erience de Mai 2006.

4.3.3 Exp´ erience avec milieu ambiant (f´ evrier 2008)

La derni`ere campagne exp´erimentale effectu´ee sur LULI2000 est d´edi´ee `a l’´etude de la pro-pagation du jet de plasma dans un milieu ambiant ext´erieur (un jet de gaz d’Argon) afin d’ˆetre plus repr´esentatif des situations astrophysiques. Pour ce faire, nous avons utilis´e une buse super-sonique de 1mm de diam`etre. Le choix de la buse supersuper-sonique par rapport `a une buse super-sonique est d’obtenir un profil plat le long de la propagation du jet [138]. La pression initiale pour la buse a vari´ee de 5 `a 80 bars ce qui correspond `a une densit´e de neutres allant de 6×10¹⁷ `a 10¹⁹ cm⁻³.

Au cours de cette campagne, nous avons b´en´efici´e du nouveau faisceau laser PICO2000 qui a permis l’implantation de diagnostics novateurs comme la radiographie Kα et protonique (voir chapitre 5). PICO 2000 est une impulsion laser d’une dur´ee de 1ps, 100J d’´energie `aω que l’on focalise avec une parabole f/4 dont∼25% de l’´energie se trouve dans une tˆache focale de∼8µm.

Pour la radiographie, deux cibles de mat´eriaux diff´erents ont ´et´e utilis´ees : de l’aluminium pour les protons ou du scandium pour l’´emission X Kα `a ∼ 4keV. Sur le sch´ema 4.9 est repr´esent´e l’ensemble des diagnostics ainsi que la radiographie protonique. La radiographie Kα, pr´evue avec un cristal sph´erique 2D (voir chapitre 5), n’est pas repr´esent´ee car le niveau d’´emission X

´etait bien trop faible pour permettre son utilisation avec succ`es. La conversion en rayonnement Kα due `a la propagation des ´electrons relativistes dans la cible de scandium a ´et´e inefficace en raison d’un niveau d’ASE du faisceau picoseconde beaucoup trop important vraisemblablement.

Grˆace `a la sym´etrie cylindrique du syst`eme ´etudi´e, nous avons pu utiliser simultan´ement `a la radiographie protonique, un diagnostic d’interf´erom´etrie et d’´emissivit´e transverse (chapitre 5). Pour cela nous avons inclin´e l’axe optique de 20˚ par rapport au plan laser. Sur la figure 4.10 est repr´esent´ee sur une vue d’ensemble, l’implantation de la buse de gaz, de la cible et du faisceau sonde transverse. La cible est centr´ee sur la buse et plac´ee `a ∼4mm en hauteur de son bord pour ´eviter le plus possible les perturbations lors de la d´eclenche du gaz quelquesµs avant le tir du faisceau principal (voir chapitre 7 pour les d´etails sur la buse de gaz).

prisme de Wollaston

Diagnostics face a

rrière

CBF GOI

f = 250 f = 800

f = 1000

f = 800 polariseur

polariseur miroir 2! RCF

LASER ns

LASER ps f = 200

f = 2000

Figure 4.9 Sch´ema de l’exp´erience de F´evrier 2008.

Faisceau sonde Faisceau sonde Vers interférométrie

jet de plasma

Buse de gaz gaz Argon RCF

Laser ps Laser ps f = 250

CBF

Figure 4.10 Vue dans le plan vertical de l’exp´erience de F´evrier 2008.

R´ecapitulatif : Les premi`eres exp´eriences nous ont permis de mesurer l’ensemble des para-m`etres du jet lors de sa propagation dans le vide. Nous avons ´egalement test´e de nombreuses conditions initiales :

– sur le laser : diverses intensit´es laser, dimensions de tˆache focale et lames de phase (RPP et PZP),

– sur la cible : densit´e de mousse (20 mg/cc, 50mg/cc, 100mg/cc et 200mg/cc), dopant en brome (0%, 5%, 20% et 30% en masse), avec et sans cylindre de sortie.

Enfin l’exp´erience de 2008, fort des connaissances acquises pr´ec´edemment, a permis d’´etudier la propagation du jet de plasma dans un milieu gazeux.