Mechanical deformations of solid hydrogen for the fabrication of submillimetric continuous cryogenic targets for laser-plasma acceleration

Déformations mécaniques de l'hydrogène solide pour la fabrication de cibles cryogéniques continues submillimétriques pour l'accélération laser-plasma

Sylvain Michaux (1)

1 SBT - Service des Basses Températures

The interaction between a high-energy laser and a thin hydrogen target can generate an electrostatic field accelerating protons up to a few tens of MeV. This scientific field is called "laser/plasma acceleration". In this context, the Low Temperature Laboratory (CEA, France) has designed in 2014 a prototype extruding thin solid-hydrogen ribbon-shaped targets of onemillimeter in width and a few tens of micrometers in thickness.This Ph.D. thesis studies the geometry, the stability and the velocity of these ribbons, which are critical in the laser/matter interaction. Experimental campaigns led with this prototype in different laser facilities are described as well. The second and main objective of this Ph.D. thesisis to charaterize and measure the rheological properties of solid Hydrogen, in order to model its flow through a submillimeter-wide extrusion nozzle. This characterisation has been made possible through the design of an innovative cryogenic rheometer generating a continuous shear deformation in solid hydrogen at controled temperature, below 14 kelvins. Shear deformationof solid Hydrogen is studied and detailled, and its apparent viscosity near its melting point is measured. A deformation law is stated, then tested by numerical simulation.

L’interaction d’un laser de haute énergie avec une cible fine d’hydrogène créé un plasma à l’intérieur duquel le champ électrostatique peut accélérer des protons jusqu’à des énergies de quelques dizaines de MeV. Ce domaine de la physique est appelé l’accélération laser/plasma.C’est dans ce contexte que le Service des Basses Températures (CEA, France) a développé en 2014 un prototype permettant de produire par extrusion des rubans d’hydrogène solide de un millimètre de large et de quelques dizaines de micromètres d’épaisseur.Cette thèse étudie la géométrie, la vitesse et la stabilité de ces rubans, qui sont des critères fondamentaux à l’efficacité de l’accélération laser/plasma. Les résultats des campagnes expérimentales menées avec ce prototype dans différents centres laser sont également décrits. Le deuxième et principal objectif de cette thèse consiste à caractériser et mesurer de façon précise les propriétés rhéologiques de l’hydrogène solide, afin de modéliser son écoulement à travers une buse d’extrusion d’épaisseur submillimétrique. Ce travail a consisté à concevoir un rhéomètre cryogénique innovant capable de générer un cisaillement continu d’hydrogène solide à des températures contrôlées, inférieures à 14 kelvins. La déformation de cisaillement de l’hydrogène solide est observée et décrite en détails, et sa viscosité apparente près de son point de fusion est quantifiée. Une loi régissant son écoulement est proposée, puis vérifiée par simulation numérique.

Mots clés: Cryogenics; Rheology; Solid Hydrogen; Laser-Matter interaction targets

Mots clés: Cryogénie; Rhéologie; Hydrogène solide; Cibles pour l'interaction laser-Matière

Domaines: Dynamique des Fluides [physics.flu-dyn]

Sylvain Michaux. Déformations mécaniques de l'hydrogène solide pour la fabrication de cibles cryogéniques continues submillimétriques pour l'accélération laser-plasma. Dynamique des Fluides [physics.flu-dyn]. Université Grenoble Alpes, 2019. Français. ⟨NNT : 2019GREAY010⟩. ⟨tel-02280969⟩