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Theses Year : 2012

Experimental and numerical study of the micro-spalling of metallic targets subjected to laser shock

Etude expérimentale et numérique du micro écaillage de cibles métalliques soumises à des chocs laser

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Didier Loison

Abstract

Micro-spalling is a failure phenomenon consisting in dynamic fragmentation of a material after partial or full melting under intense shock wave loading. High power pulsed lasers are used as shock wave generators in laboratory for scientific and industrial purposes, such as research on inertial confinement fusion. In this context, the production of high velocity fragments can damage the facilities where shock experiments are conducted. This thesis, realized at the P' institute in collaboration with different teams from CEA, aims at understanding and modeling the different processes involved in micro-spalling phenomenon. Experiments to study micro-spalling of laser shock-loaded tin and aluminum targets have been performed in the Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses. Various and complementary diagnostics (photonic Doppler velocimetry, soft recovery of debris and microtomography) have been used to characterize the ballistic properties (size distributions and velocities) of droplets constituting the micro-spalling cloud. In parallel, phase transition and fragmentation models have been adapted to simulate micro-spalling. These models have been implemented in a code to predict the sizes and velocities of debris. The combination of experimental and numerical results allows characterizing the successive stages of micro-spalling from laser-matter interaction to the ejection of droplets.
Le micro-écaillage désigne le phénomène de ruine par fragmentation d'un matériau fondu en partie ou complètement suite au passage d'une onde de choc intense et brève. Les lasers sont utilisés comme générateurs de choc à des fins scientifiques et industrielles. Ils se trouvent à la base de la recherche sur la fusion nucléaire par confinement inertiel. Dans ce contexte, la production de fragments à hautes vitesses par micro-écaillage peut endommager les installations dans lesquelles les expériences de choc sont menées. Les travaux de thèse, réalisés à l'Institut P' en collaboration avec différentes équipes du CEA, visent la compréhension et la modélisation de tous les processus mis en jeu dans le phénomène de micro-écaillage, dans le but de prévoir les risques encourus par les installations. Des expériences visant à étudier le micro-écaillage de cibles d'étain et d'aluminium soumises à des chocs laser ont été réalisées au Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses. Divers diagnostics complémentaires (Vélocimétrie Hétérodyne, récupération des éjectas, microtomographie) ont permis de caractériser les propriétés balistiques (distributions de tailles et de vitesses) des fragments composant le nuage micro-écaillé. En parallèle, des modèles de changements de phase et de fragmentation ont été adaptés pour simuler le micro-écaillage. Ces modèles ont été implantés dans un code de calcul pour prédire les tailles et les vitesses des débris générés dans les cibles d'étain et d'aluminium. L'association des résultats numériques issus de ces simulations et des résultats expérimentaux a permis la caractérisation des différentes étapes du micro-écaillage.
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Dates and versions

tel-00785044 , version 1 (05-02-2013)

Identifiers

  • HAL Id : tel-00785044 , version 1

Cite

Didier Loison. Etude expérimentale et numérique du micro écaillage de cibles métalliques soumises à des chocs laser. Autre. ISAE-ENSMA Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et d'Aérotechique - Poitiers, 2012. Français. ⟨NNT : 2012ESMA0021⟩. ⟨tel-00785044⟩
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