Instabilités hydrodynamiques : Application à l'astrophysique de laboratoire et diagnostics X à haute résolution

Hydrodynamic instabilities : Laboratory astrophysics and high resolution x-ray diagnostics

• Auteur / Autrice : Gabriel Rigon
• Direction : Michel Koenig, Alexis Casner
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 15/06/2020
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire pour l'utilisation des lasers intenses (Palaiseau, Essonne ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Marc Bonnet-Bidaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Koenig, Alexis Casner, Daniel Vanderhaegen, François Guyot, Andrea Ciardi, Thibaut de Rességuier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Daniel Vanderhaegen, François Guyot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plasmas, Astrophysique des

Dynamique des fluides

Plasmas (gaz ionisés)

Plasmas produits par laser

Mots clés libres

Instabilité hydrodynamique

Diagnostiques X

Astrophysique de laboratoire

Laboratory astrophysics

X-Ray diagnostics

Hydridynamic instabilities

Résumé

Le développement des lasers de puissance au cours du 20ème siècle a permis d’atteindre le régime que l'on appelle des hautes densités d’énergie (HDE), où la matière est portée dans des conditions extrêmes. Cela a permis l’essor d’une nouvelle discipline: l’astrophysique de laboratoire. Celle-ci vise à reproduire en laboratoire des conditions comparables à celles observées en astrophysique au sein de planètes, d’étoiles, ou lors de phénomènes cataclysmiques par exemple.Cette thèse porte sur l’étude expérimentale et numérique d’instabilités hydrodynamiques pouvant être trouvées dans de telles situations. Ces instabilités influencent l’évolution d’objets astrophysiques et en gênent l’observation. Ici nous nous intéresserons plus particulièrement aux instabilités de Rayleigh-Taylor (IRT) et de Richtmyer-Meshkov (IRM). La première apparaît dès lors qu’un fluide dense repose sur un fluide moins dense. La seconde peut être considérée comme un cas particulier de la première où la force responsable de l’instabilité est due à une onde de choc. Ces deux instabilités se retrouvent en astrophysique dans les restes de supernovæ, qui sont constitués de la matière éjectée lors de la mort (explosion) d’une étoile massive. Nous pouvons aussi les trouver en fusion par confinement inertiel, où elles sont en partie responsable des difficultés à atteindre l’ignition.Dans cette thèse nous présentons les résultats d’expériences réalisées sur les installations LULI2000 à Palaiseau (France), GEKKO XII à Osaka (Japon) et SACLA (Japon) visant l’étude de ces instabilités. Ces travaux expérimentaux nous ont permis d’observer directement et de reconstituer l’évolution de l’IRT de sa phase linéaire, aux temps courts, à sa phase turbulente, aux temps longs. Nous avons ainsi effectué une étude paramétrique de l’IRT où nous faisions varier les paramètres classiques l’influençant : longueur d’onde de perturbation, rapport des densités au travers de l’interface (nombre d’Atwood). Cela constitue donc une étude expérimentale complète de l’IRT et présente un caractère inédit quant à l’observation de la turbulence avec une résolution sans précédent dans le domaine de la HDE.Cette étude expérimentale est complétée d’une étude numérique réalisée à l’aide de FLASH, un code de magnéto-hydrodynamique développé par l’université de Chicago. Les simulations effectuées lors de cette thèse ont permis à la fois de préparer l’ensemble de l’étude expérimentale, et d’interpréter et de comprendre les résultats.En parallèle de ces études d’instabilités, un diagnostic de radiographie à rayons X à haute résolution spatiale a été développé. Il utilise un cristal de LiF comme détecteur. Une étude des caractéristiques de ce diagnostic a été effectuée (réponse spectrale, variation de résolution…) sur le synchrotron SOLEIL. Cela nous a alors permis d'utiliser le LiF comme détecteur principal lors de nos expériences sur SACLA où une résolution spatiale sub-micronique et temporelle de l’ordre de 10 fs ont été obtenues.

During the 20th century, the development of high power laser enabled scientist to reach a regime known as High Energy Density (HED), where matter is carried under extreme conditions. This allow the development of a new discipline: the laboratory astrophysics. This discipline aims to reproduce, in the laboratory, conditions similar to those observed in astrophysics, for instance in planet or star interiors, during cataclysmic phenomena.This thesis corresponds to an experimental and numerical study of hydrodynamic instabilities, which can be found in such situations. These instabilities affect the evolution of astrophysical objects and hinder their observation. Here, we will focus on the Rayleigh-Taylor (RTI) and the Richtmyer-Meshkov (RMI) instabilities. The first one does arise when a high density fluid is lying above a low density one. The second can be seen as a special case of the first, where the force responsible for the motion of the instability is linked to a shock wave. In astrophysics, both instabilities can be found in supernovae remnants, which are composed of the matter ejected during the death (explosion) of massive stars. They can also be found in inertial confinement fusion, and are responsible of the failure of ignition.In this thesis, we will show the results of experiments on those instabilities carried on LULI2000 (Palaiseau, France), GEKKO XII (Osaka, Japan), and SACLA (Japan) facilities. Thanks to these experiments, we observed directly and reconstructed the evolution of the RTI from its linear phase, early in time, up to its turbulent phase, late in time. We proceeded to a parametric study of the RTI, where we varied classical parameters: the wavelength modulation, the density ratio (Atwood number). Therefore, this constitutes a complete experimental study of the RTI with hitherto unseen results. Especially our observation of the turbulence with an unprecedented resolution in this regime (HED).To complete this experimental study, simulations were performed using FLASH, a magneto-hydrodynamic code developed by the FLASH centre (University of Chicago). These simulations allowed us to design our experiments and to analyse and understand our results.Concurrently, we developed a new high resolution X-ray radiography diagnostic. This diagnostic is based on a LiF crystal used as a detector. We proceed to the characterisation of this diagnostic on the SOLEIL synchrotron (spectral response, change in resolution...). This allowed us to use this diagnostic as our main detector on a SACLA experiment, which results on a sub-micron spatial resolution and to a temporal resolution of 10 fs.