Study of the dynamic fragmentation of laser shock-loaded metallic target
Etude de la fragmentation dynamique de métaux sous choc laser
Résumé
The irradiation of a metallic target by a high power laser pulse induces a shock wave in the material. Under some conditions, it leads to the production of high velocity ejecta which can damage the optical environment (lenses, mirrors, windows, etc.). With the ongoing development of high energy laser facilities designed to achieve inertial confinement fusion, such as the Laser MégaJoule in France or the National Ignition Facility in the USA, the question of debris ejection from metallic samples subjected to intense laser irradiation has become a key issue. It is necessary to understand fragmentation processes induced by laser shock, and to anticipate and quantify generated fragments, in order to design suitable protections and experiments, and to preserve laser facilities. The main fragmentation processes which can occur in a laser-shock-loaded metallic target and generate high velocity ejecta are : (i) microjetting, which occurs upon reflection of the incident compressive front from the free surface, (ii) spallation, which is due to the later interaction of the release wave reflected from that surface with the incident unloading wave and (iii) dynamic punching of thin targets. Experimental campaigns have been performed on high energy laser facilities in the Centre d'Études Scientifiques et Techniques d'Aquitaine (CESTA, CEA, Alisé facility) and in the Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses (LULI, École Polytechnique, LULI 2000 facility). Gold and aluminium have been mainly studied because they are the two main metallic components of the target which will be used to achieved the inertial confinement fusion. Specific diagnostics have been developed and used during these experiments to study the dynamic fragmentation : transverse shadowgraphy, free surface velocity measurement and recovery of generated fragments. Experimental results have been compared with numerical predictions obtained with a bi-dimensional hydrodynamic code, where a specific numerical model has been implemented. The ability of simulations to reproduce dynamic fragmentation of laser shock-loaded metallic targets have been verified.
L'irradiation d'un matériau métallique par une impulsion laser de forte puissance provoque la sublimation d'une fine couche de matière, transformée en plasma, dont la détente induit une onde de choc à l'intérieur de ce matériau. Dans certaines conditions, ce chargement peut conduire à la production de fragments, solides ou liquides, qui sont éjectés à des vitesses élevées, et sont alors susceptibles d'endommager l'environnement proche, notamment les équipements optiques (lentilles, miroirs, hublots, etc.). Avec l'avènement des installations laser de haute énergie destinées à réaliser la fusion thermonucléaire par confinemenet inertiel, comme le Laser MégaJoule en France ou le National Ignition Facility aux Etats-Unis, l'éjection des débris issus d'une cible métallique soumise à une irradiation laser intense est devenue un problème crucial. Ainsi, il est essentiel pour ces deux projets de comprendre les processus de fragmentation induits par choc laser, de caractériser les fragments produits et leurs propriétés balistiques, et de développer des modèles prédictifs afin de pouvoir prévoir les protections adéquates, de dimensionner les expériences, et préserver les installations laser. Les principaux processus de fragmentation qui peuvent survenir dans une cible soumise à un choc laser et générer des fragments à hautes vitesses sont : (i) l'éjection de jets micrométriques, ou microjetting, qui se produit lorsqu'une onde de compression intense débouche sur une surface libre rugueuse, (ii) l'écaillage, qui est dû à une traction dynamique induite par l'interaction entre des ondes de détente au sein de la cible, et (iii) la rupture par perforation, qui résulte d'un effet de poinçon dynamique dans une cible de faible épaisseur. Des campagnes expérimentales ont été menées sur les grandes installations laser du Centre d'Études Scientifiques et Techniques d'Aquitaine (CEA/CESTA) et du Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses (LULI / École Polytechnique) pour caractériser ces processus et évaluer les influences des principaux paramètres expérimentaux. Ces expériences ont principalement porté sur deux matériaux : l'aluminium et l'or. Plusieurs diagnostics complémentaires ont été développés et utilisés au cours de ces campagnes : visualisation transverse ultra-rapide, mesures de vitesses résolues en temps par interférométrie, récupération des éjectas dans des collecteurs de faible densité, analyse de ces éjectas par micro-tomographie. Les résultats expérimentaux ont été comparés avec les prédictions numériques du code hydrodynamique bi-dimensionnel CHIC, qui prend en compte l'interaction laser-matière et la propagation des ondes de pression. Un modèle numérique de fragmentation a été implémenté dans ce code au cours de cette thèse. La capacité de cet outil à simuler la fragmentation dynamique des cibles sous choc laser a pu être testée.
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