Soutenance mémoire
METHODE STATIQUE : CELLULE A ENCLUMES DE DIAMANT
Une cellule à enclumes de diamant courante est représentée en figure 1. Elle comprend une paire d’enclumes en forme de cône tronqué (taille en brillant ) serrées l’une contre l’autre et un joint (gasket) formé par exemple d’un métal comme l’inconel. Le joint peut contenir l’échantillon porté à haute pression grâce aux forces de friction entre celui-ci et l’enclume. La forme des enclumes permet une multiplication de la pression, d’autant plus importante que la pointe du diamant sera étroite par rapport à sa base, de sorte qu’une force de serrage de 10 kN est suffisante pour générer des pressions de l’ordre du Mbar sur l’échantillon à étudier lorsque les dimensions de celui-ci sont de l’ordre de la centaine de microns. Cette force est exercée par exemple à l’aide d’un levier ou d’un système pneumatique.Dans le cas d’expériences atteignant des pressions de l’ordre du Mbar, les enclumes ne peuvent généralement pas être réutilisées, en raison de l’apparition de fractures lorsque la pression est relâchée. Le coût n’est donc pas négligeable compte tenu de la qualité des diamants nécessaires (tout défaut ou inclusion étant potentiellement source de fissures à haute pression). On utilise généralement comme jauge de pression un fragment de rubis ajouté à l’échantillon. En effet celui-ci présente une luminescence induite par la pression, que l’on peut mesurer à travers les enclumes de diamant, transparentes à cette longueur d’onde. A très haute pression, des corrections d’absorption deviennent cependant indispensables pour déterminer la pression. La cellule à enclume de diamant est un moyen de compression isotherme d’un matériau, la compression étant suffisamment lente pour que l’échantillon soit à tout instant en équilibre thermique avec le milieu extérieur. Certains problèmes étudiés, en géophysique ou astrophysique par exemple, correspondant plutôt au cas d’une compression isentropique, il est nécessaire d’avoir recours à des moyens supplémentaires pour explorer un domaine de température différent de la température ambiante. La gamme de température qu’il est ainsi possible d’étudier avec une cellule à enclume de diamant s’étend du millikelvin jusqu’à 5000 K environ. Les plus hautes températures sont obtenues au moyen d’un laser de chauffage. Généralement on utilise un laser Nd : YAG continu d’une puissance d’environ 20 W par exemple ou laser CO2, mais on peut aussi utiliser une impulsion de chauffage : avec un laser femtoseconde par exemple, le chauffage est pratiquement isochore, ce qui permet d’atteindre une pression supérieure. Les lasers sont injectés à travers les enclumes de diamant et l’énergie et dans l’échantillon. Toutefois l’inhomogénéité du profil de température ainsi obtenu complique considérablement l’interprétation des résultats. Pour des températures plus faibles (< 1500 K), on peut également avoir recours à un four résistif entourant les enclumes de diamant. Le grand intérêt de la cellule à enclume de diamant est de permettre l’étude du matériau comprimé à l’équilibre pendant une période prolongée. On peut notamment, grâce à la disponibilité récente de grands synchrotrons tels que l’ESRF, réaliser des clichés de diffraction X permettant l’étude des phases cristallines du matériau à haute pression. On rappellera par exemple la mise en évidence de la phase orthorombique du fer, stable à des pressions supérieures à 400 kbar et à des températures de l’ordre de 2 400 kelvins. Elle pourrait constituer le centre de la terre, ou celle de la dissociation du méthane en hydrogène et diamant à haute pression, dans des conditions voisines de celles qui se présentent vers 7000 km de profondeur à l’intérieur de Neptune, qui serait ainsi le siège d’une véritable « pluie de diamant » associée à un dégagement d’énergie gravitionnelle.
Zone de réémission
Cette zone, caractérisée par des températures de l’ordre de la centaine d’ eV et des densités de l’ordre du g/cm3 est chauffée par le rayonnement X provenant de la zone de conversion. Optiquement épaisse dans le domaine X, elle réémet une fraction de l’énergie absorbée sous forme d’un rayonnement X de corps noir, en équilibre local avec la matière. On distingue pour finir la zone sous choc chauffée et comprimée par le passage de l’onde de choc, et le solide « non-perturbé ». En fait, les rayonnements X durs et les électrons suprathermiques générés dans la couronne peuvent préchauffer le milieu avant l’arrivée de l’onde de choc, influant sur la propagation de celle-ci. On conçoit aisément que le préchauffage sera un effet nocif dans le cas d’une mesure d’équation d’état. En effet l’état initial du milieu est alors mal connu. On cherchera donc à minimiser le préchauffage autant que possible en se plaçant dans les conditions appropriées (intensité pas trop élevée pour éviter la génération d’électrons suprathermiques,utilisation d’un matériau de Z faible comme ablateur pour limiter la génération d’X durs, élimination des surintensités localisées..)
Polaire de choc, Détermination directe d’équation d’état
Si on utilise l’équation d’état pour éliminer les variables de densité et d’énergie interne de l’adiabatique dynamique plutôt que les variables densité et vitesse fluide, on obtient la polaire de choc au lieu de la courbe d’Hugoniot. Il s’agit d’une courbe représentant le lieu des états finals du choc dans le plan (P,u). Comme la courbe d’Hugoniot elle dépend de l’état initial du choc. La polaire de choc découlant de l’équation d’état, sa détermination expérimentale en constitue un test. La seconde relation d’Hugoniot montre que, dans le plan (P,u), et si l’on peut négliger la pression initiale devant P, l’état final se trouve également sur une droite d’équation P=ρ0Du. La pente de cette droite Z=ρ0D est appelée impédance du choc. Pour définir un point de la polaire, il suffit donc de connaître deux paramètres parmi pression finale, vitesse fluide et vitesse du choc. (cf. fig. 2.3). S’il est possible par exemple de mesurer simultanément la valeur de D et u, on dit que l’on a une détermination expérimentale directe de la polaire de choc. Malheureusement, une telle détermination est rarement réalisable en pratique. On a alors recours à des méthodes dites indirectes fondées sur les relations de continuité pour un choc à l’interface de deux milieux.
Tables SESAME
Les tables SESAME ont été développées au Los Alamos National Laboratory. Il s’agit d’une série de tables spécifiques, calculées pour un nombre limité de matériaux. Les modèles utilisés différent légèrement d’un matériau à l’autre, dans le but de décrire au plus près le comportement de chacun. Différents modèles sont également employés selon les domaines de température et de pression considérés. De plus, les points expérimentaux disponibles sont pris en compte dans les tables en ajustant au mieux les paramètres numériques des modèles. Toutefois, du fait que les tables sont calculées à partir de modèles indépendants entre eux, elles ne sont pas toujours cohérentes thermodynamiquement à la transition entre deux modèles. Par exemple, les dérivées de certaines quantités peuvent être discontinues, si bien que les identités thermodynamiques ne sont plus vérifiées. Les contributions ioniques et électroniques sont calculées séparément et fournies dans des tables séparées. Ceci permet l’usage de codes hydrodynamiques à deux températures. L’équation d’état électronique est déduite du modèle de Thomas-Fermi-Dirac (i.e. prenant en compte l’énergie d’échange), L’équation d’état ionique est calculée à l’aide du modèle de Grüneisen au dessus de la densité du solide, par une équation de type gaz parfait à basse densité, ou par divers autres modèles pour certains matériaux dans des domaines spécifiques.
|
Table des matières
Introduction
I. METHODES DE COMPRESSION
I.1 Méthode statique : Enclume à diamant
I.2 Méthodes dynamiques
I.2.1 Canon à gaz
I.2.2 Génération d’un choc par laser
I.2.2.1 Introduction
I.2.2.2 Mécanisme d’interaction laser-matière, transport d’énergie
I.2.2.3 Estimation des paramètres du choc produit par un laser intense
I.3 Lois des chocs
I.3.1 Qu’est ce qu’une onde de choc
I.3.2 Le choc en milieu homogène
I.3.2.1 Relations de Rankine-Hugoniot
I.3.2.2 Courbe d’Hugoniot, irréversibilité et chocs multiples
I.3.2.3 Polaire de choc, détermination directe d’équation d’état
I.3.3 Traversée d’une interface par un choc
I.3.3.1 Désadaptation d’impédance
I.3.3.2 Détermination indirecte d’équation d’état
II. EQUATIONS D’ETAT
II.1 Généralités
II.2 Equations d’états électroniques : TF, TFD
II.3 Equations d’états ioniques
II.3 Modèle QEOS
II.3 Tables SESAME
Bibliographie
III. MESURE D’EQUATION D’ETAT PAR DESADAPTATION D’IMPEDANCE
III.1 Principe et objectif de l’experience
III.2 La source laser et les diagnostics standards
III.2.1 La chaîne nanoseconde du LULI
III.2.2 Lissage optique
III.2.3 Caméras à balayage de fente
III.3 Montage expérimental
III.4 Cibles
III.4.1 Choix
III.4.1.1 Choix de l’ablateur
III.4.1.2 Choix du matériau de référence
III.4.1.3 Structure « bi-marche » pour un matériau transparent
III.4.2 Simulations numériques correspondantes
III.4.3 Technique de fabrication
III.5 Résultats et confrontation aux modèles existants
III.5.1 Précision des mesures
III.5.2 Comparaison avec SESAME et QEOS
III.5.3 Présentation des résultats
III.5.4 Interprétation
III.6 Effets de densité
III.7 Evaluation du préchauffage et de ses effets
III.8 Accélération du choc dans la cible
Bibliographie
IV. Mesure d’équation d’état par VISAR
IV.1 Principe et objectif de l’expérience
IV.2 Le VISAR : Description, principe physique et mode d’emploi
IV.2.1 Principe de fonctionnement
IV.2.1.1 Interféromètre de Mach-Zehnder
IV.2.1.2 Schéma et réglage du VISAR
IV.2.1.3 Relation fondamentale
IV.2.2 Limite de résolution
IV.2.3 Implémentation
IV.3 Montage expérimental
IV.4 Résultats expérimentaux
IV.4.1 Vitesses mesurées, Identification
IV.6.2 Informations sur l’équation d’état
IV.5 Mesure de conductivité
IV.6.1 Lien entre conductivité et réflectivité
IV.6.2 Résultats expérimentaux
IV.6 Conclusions
Bibliographie
CONCLUSION
ANNEXES
Le code MULTI
Calibration en énergie de la caméra à balayage de fente
Télécharger le rapport complet
