DIFFRACTION X DE MATÉRIAUX MULTIPHASIQUES DANS LE DOMAINE DE LA MATIÈRE DENSE ET TIÈDE

X-RAY DIFFRACTION OF MULTIPHASE MODEL MATERIALS IN THE DENSE AND WARM MATTER DOMAIN

• Auteur / Autrice : Victor Pellier
• Direction : Alessandra Benuzzi mounaix
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 08/01/2024
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses

Mots clés

Mots clés libres

Compression par laser

Transitions de phase

Diffraction X

Physique des chocs

Laser compression

Phase transition

X-ray diffraction

Shock physic

Résumé

Description de la problématique de recherche - Project description Un diagnostic de diffraction X a été mis au point sur l'installation LULI2000, et sera adapté prochainement sur le Laser MegaJoule. Un tel dispositif offre la possibilité d'étudier les transitions de phases de matériaux cristallins comprimés à l'aide d'un laser et soumis à de très hautes pressions relevant du domaine de la matière dense et tiède. Lors de la première étude, les changements de phase solide/solide et solide/liquide du fer, matériau d'intérêt géophysique, ont été explorés le long de son Hugoniot afin d'acquérir des données importantes quant à la compréhension des intérieurs planétaires. En outre, le diagramme de phase du bismuth a été exploré avec une cinétique inédite offerte par ce type d'installation, i.e. en comprimant le matériau avec l'aide de rampes laser. Ce diagramme apparait différent des diagrammes de phase statiques ou explorés sous choc et met ainsi en lumière toute l'importance d'étudier les effets cinétiques pour comprendre les processus de transition de phase. A la manière des deux pré-études citées ci-dessus, l'objectif de cette thèse est d'exploiter ce nouveau dispositif sur l'installation LULI2000 afin d'identifier la fusion sous choc de matériaux pour lesquels il subsiste des désaccords majeurs entre les courbes de fusion statiques et dynamiques. Il s'agira aussi d'explorer le diagramme de phase de matériaux multiphasiques avec des dynamiques de compression inédites hors-Hugoniot. En plus de participer activement à la préparation et à la réalisation de ces expériences, le (la) doctorant(e) sera amené(e) à développer les outils nécessaires à la prévision et à l'analyse du diagnostic de diffraction X. En parallèle, il (elle) devra réaliser des simulations hydrodynamiques afin d'analyser les données parallèles permettant d'évaluer les conditions extrêmes de pression et de température sondées. Il (elle) participera en cela à l'amélioration et à la validation des modèles d'interaction laser- matière et des modèles hydrodynamiques (équations d'état multi- phases, conductivité thermique, cinétique des changements de phase) utilisés dans ces calculs. Il sera tout d'abord demandé à l'étudiant(e) d'analyser la première expérience de diffraction X afin de se familiariser à la fois avec les méthodes expérimentales utilisées pour étudier la matière dense et tiède à l'aide d'un laser de puissance, avec les outils de dépouillement qu'il (elle) se devra de compléter, ainsi qu'avec les simulations hydrodynamiques. Ceci lui permettra ensuite de préparer, de réaliser et d'analyser les différentes campagnes expérimentales citées ci-avant. Pendant toute la durée du doctorat, l'étudiant(e) bénéficiera d'un co-encadrement multidisciplinaire CEA/LULI composé d'expérimentateurs laser et synchrotron, de théoriciens et de géophysiciens, ce qui l'amènera à participer également à des expériences sur des installations synchrotron (ESRF, Grenoble) et XFEL (Hambourg).

An X-ray diffraction diagnostic has been developed on the LULI2000 facility, and will soon be adapted to the MegaJoule Laser in Bordeaux. Such a device offers the possibility of studying the phase transitions at very high pressures of crystalline materials compressed by using a laser, in the field of the warm dense matter. In the first study, the solid/solid and solid/liquid phase transitions of iron, a material of geophysical interest, were explored along its Hugoniot in order to acquire important data for understanding planetary interiors. In addition, the phase diagram of bismuth was explored by using laser ramps available at LULI2000. This diagram appears to be different from static or shock phase diagrams and thus highlights the importance of studying kinetic effects to understand phase transition processes. As the two pre-studies mentioned above, the objective of this thesis is to exploit this new device on the LULI2000 installation in order to identify the shock melting of materials for which major disagreements between the static and dynamic melting curves exist. Another goal will be to explore the phase diagram of multiphase materials with different compression dynamics (i.e. compression rates) outside the principal Hugoniot. In addition to actively participating in the preparation and realization of these experiments, the PhD student will be required to develop the tools necessary for the prediction and analysis of the X-ray diffraction diagnostic. In parallel, he/she will have to carry out hydrodynamic simulations in order to analyze the data obtained with others diagnostics (e.g. VISAR interferometry) allowing the evaluation of the extreme conditions of pressure and temperature probed. In doing so, he/she will participate in the improvement and validation of the laser-matter interaction and hydrodynamic models (multiphase equations of state, thermal conductivity, phase change kinetics) used in these calculations. The student will first be asked to analyze the first X-ray diffraction experiment in order to become familiar with the experimental methods used to study dense and warm matter with a power laser, with the analysis tools that he/she will have to complete, as well as with the hydrodynamic simulations. This will enable him/her to prepare, carry out and analyze the various experimental campaigns mentioned above. Throughout the PhD, the student will benefit from a multidisciplinary CEA/LULI co-supervision composed of researchers coming from laser and synchrotron community, theorists and geophysicists. The student will have also the opportunity to perform experiments on synchrotron facilities (ESRF, Grenoble) and XFEL (Hamburg).