Modélisation de la diffusion multiple et dynamique de la lumière dans un éjecta issu d’un choc

Modelling of dynamic multiple scattering of light in shock ejecta

• Auteur / Autrice : Jérôme Don Jayamanne
• Direction : Rémi Carminati, Romain Patrick Pierrat, Olivier Durand, Jean-René Burie
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 04/11/2024
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Langevin-Ondes et images (Paris ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)
• Partenaire(s) de recherche : Centre de recherche : Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (France ; 1945-....)
• Jury : Président / Présidente : Sylvain Gigan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rémi Carminati, Romain Patrick Pierrat, Laurent Berthe, Kevin Vynck, Anabela Da Silva, Bérénice Loupias
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Berthe, Kevin Vynck

Mots clés

Mots clés libres

Choc ejecta

Velocimétrie

Diffusion dynamique

Diffusion multiple

Milieux complexes

Simulation

Shock compression ejecta

Velocimetry.

Dynamic scattering

Multiple scattering

Complex media

Simulation

Résumé

Dans cette thèse de doctorat, nous visons à modéliser les spectrogrammes du diagnostic optique de Vélocimétrie Hétérodyne (VH) dans le cadre de la caractérisation des éjectas issus d’expériences de choc sur des métaux. Pour cela, nous établissons d’abord le lien entre le spectrogramme VH et une quantité usuelle en optique statistique, la luminance. Cette luminance est classiquement régie par une Équation de Transfert Radiatif (ETR) qui, dans le cadre de cette thèse, a été adaptée pour rendre compte de l’aspect dynamique et statistiquement inhomogène d’un éjecta. La résolution numérique de cette équation par méthode de Monte Carlo a permis de retrouver par simulation les principales caractéristiques des spectrogrammes VH d’éjectas et de mettre en avant l’importance de la diffusion multiple. Fort de ce résultat, nous explorons la sensibilité des spectrogrammes VH à différents paramètres comme la longueur d’onde, la distribution taille-vitesse des particules et son inhomogénéité statistique. Nous étudions également la possibilité de modéliser quantitativement les spectrogrammes à partir d’une approche plus simple basée sur une équation de diffusion valide en régime de très forte diffusion. Nous prouvons la pertinence de cette approximation dans de nombreux régimes mais l’inhomogénéité et l’anisotropie de la distribution en vitesse d’un éjecta la mettent en défaut. Enfin, nous explorons l’impact sur les spectrogrammes VH de la présence d’objets anisotropes proches de la surface libre du métal. Nous montrons à partir d’un modèle très simple que la présence de ces objets modifie de manière substantielle les spectrogrammes et notre étude tend à prouver qu’ils sont à l’origine de l’apparition d’un creux bien connu des expérimentateurs dans les spectrogrammes.

In this doctoral thesis, we aim to model the spectrograms of the optical diagnostic named Photon Doppler Velocimetry (PDV) in the context of characterizing ejecta from shock experiments on metals. To do this, we first establish the link between the PDV spectrogram and a common quantity in statistical optics, the specific intensity. This specific intensity is classically governed by a Radiative Transfer Equation (RTE), which, in the context of this thesis, has been modified to account for the dynamic and statistically inhomogeneous nature of an ejecta. The numerical resolution of this equation using a Monte Carlo scheme allowed us to retrieve, through simulation, the main characteristics of the PDV spectrograms of ejecta and to highlight the importance of multiple scattering. Building on this result, we explore the sensitivity of PDV spectrograms to various parameters such as wavelength, particle size-velocity distribution, and its statistical inhomogeneity. We also study the possibility of quantitatively modeling spectrograms using a simpler approach based on a diffusion equation valid in the regime of very strong scattering. We prove the relevance of this approximation in many regimes, but the inhomogeneity and anisotropy of the velocity distribution of an ejecta render it inadequate. Finally, we explore the impact on PDV spectrograms of the presence of anisotropic objects near the free surface of the metal. We show, using a very simple model, that the presence of these objects substantially modifies the spectrograms, and our study tends to prove that they are the cause of a well-known dip in the spectrograms observed by experimenters.