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Univ. Paris-Saclay
Mesures d’opacité dans les plasmas créés par lasers

Les expériences décrites ici ont été effectuées sur l’installation laser LULI-2000. Elles consistent à créer un plasma par chauffage indirect sur une cible en général métallique et à le sonder par un faisceau à large bande spectrale nommé « backlighter ». La transmission de la cible est mesurée soit dans le domaine X, typiquement de 700 à 1800 eV, ou extrême-UV (XUV), soit de 50 à 250 eV environ. Les conditions de chauffage et la densité électronique du plasma créé sont telles que l’hypothèse d’équilibre thermodynamique local est raisonnable pour ces milieux.


Une dizaine de campagnes de mesure d’opacité a été réalisée par notre équipe au cours des dernières décennies en utilisant divers schémas de chauffage indirect. Les premières expériences ont été effectuées avec la feuille à radiographier appliquée  sur l’ouverture d’une sphère en or [Thais2003, Loisel 2009]. Ensuite, nous avons utilisé une géométrie où une deuxième sphère en or était ajoutée symétriquement à la première par rapport à l’échantillon. L’axe de détection est confondu avec la droite passant par le centre des sphères. Au rayonnement transmis par l’échantillon s’ajoute l’émission « parasite »  des cavités. Aussi une troisième géométrie a été mise en œuvre. Au cours des campagnes récentes la détection a été effectuée tantôt dans le domaine X, tantôt simultané¬ment dans les deux gammes X et XUV. 


Campagne 2013


Cette campagne avait pour objet l’étude de l’absorption de divers métaux tels que le nickel, le cuivre ou l’aluminium dans les domaines X et XUV. Seuls les résultats du domaine X se sont révélés réellement exploitables et sont présentés ici. Un schéma typique de mesure de transmission est présenté sur la ffigure 1. 
 

 

L’échantillon à sonder est placé entre deux sphères en or aussi appelées « hohlraum », chauffées par des faisceaux de durée environ 1,5 ns, de longueur d’onde 0,526 µm (soit 2 omega) et d’énergie de 100 à 600 J. La présence de deux cavités assure une certaine symétrie du chauffage de l’échantillon. L’une des nouveautés de cette campagne réside dans la géométrie adoptée : l’axe joignant les centres des sphères est perpendiculaire à celui de la radiographie afin d’éviter autant que possible que le rayonnement des cavités atteigne le détecteur. L’échantillon est orienté à 45° par rapport à l’axe de radiographie et à l’axe des sphères (fig. 1). Le backlighter utilisé au cours des dernières campagnes est de durée ns, de longueur d’onde 0,526 µm et d’énergie de 10 J environ.

 

Les spectres mesurés pour quatre tirs distincts sont présentés sur la fig. 2 [Dozieres2015]. Ils sont comparés à des calculs faits à l’aide du code hybride SCO-RCG [Porcherot2014]. Ces calculs tiennent compte de la présence de tampons de carbone (température 20 eV). On observe un bon voire très bon  accord sur les positions et profondeurs des structures 2p-3d du nickel et du cuivre, et 1s-2p de l’aluminium. On note aussi un bon accord sur les structures 2p-4d autour de 1000 eV pour le nickel et 1100 eV pour le cuivre. Différentes composantes 2p-4d sont visibles, du fait  à la structure fine 2p et de la présence 256400de plusieurs états de charge. La mesure de ces composantes est précieuse pour l’interprétation théorique car leur profondeur relative est fortement dépendante de la température.

 
Mesures d’opacité dans les plasmas créés par lasers

Figure 2 : Spectres d’absorption de plasma de nickel, cuivre et aluminium dans le domaine X. Mesures faites la campagne 2013 (gris) et calculs avec le code SCO-RCG (noir).

Campagne 2016


Au cours de cette campagne pour laquelle la détection n’était pas résolue en temps l’énergie des tirs de chauffage des cibles a été volontairement réduite à 100 J environ afin d’éviter que le rayonnement des cavités n’atteigne le détecteur. Plusieurs tirs ont pu être exploités dans le domaine X [Dozieres2018]. Pour certains tirs le chauffage a été réalisé avec des feuilles d’or et non des cavités. Ceci permet d’obtenir des températures d’échantillon plus élevées  au détriment de l’homogénéité du chauffage. Un premier spectre a été obtenu dans le domaine XUV. Du fait de l’absence de détection résolue en temps lors de cette campagne, ce spectre est fortement affecté par l’émission propre des cavités. 
 

Un exemple de spectre mesuré  dans le domaine X est présenté sur la figure 3a et 3b pour le tir 75, comparé aux codes SCO-RCG et FAC respectivement. Ces calculs prennent en compte la présence des tampons de carbone. On note un assez bon accord concernant les transitions 2p-3d (énergie autour de  860-890 eV) et 2p-4d (E de 920 à 940 eV). Le maximum de transmission entre les deux pics à 0.35 est imparfaitement reproduit par les calculs, sans doute du fait de la présence de gradients de température et de densité. Plus de détails sont disponibles dans le manuscrit [Dozieres2018].


Références :

 

  • [Dozieres2015] “X-ray opacity measurements in mid-Z dense plasmas with a new target design of indirect heating” M Dozières, F Thais, S Bastiani-Ceccotti, T Blenski, et al, High Energy Density Phys., 17 231 (2015).
  • [Dozieres2018]] “Simultaneous X-ray and XUV absorption measurements in nickel laser produced plasma close to LTE”, M Dozières et al, submitted to High Energy Density Phys (2018).
  • [Loisel2009] G Loisel, P Arnault, S Bastiani-Ceccotti, T Blenski, et al, “Absorption spectroscopy of mid and neighboring Z plasmas: iron, nickel, copper and germanium”, High Energy Density Phys. 5 173 (2009). 
  • [Porcherot2014] Q Porcherot, J-C Pain, F Gilleron, and T Blenski, “A consistent approach for mixed detailed and statistical calculation of opacities in hot plasmas”, High Energy Density Phys. 7 234 (2011).
  • [Thais2003] Thais F, Bastiani S, Blenski T, Chenais-Popovics C, et al, “Absorption of local thermodynamic equilibrium aluminum at different densities”, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 81 473 (2003). 
 
#3035 - Màj : 27/11/2018

 

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