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Univ. Paris-Saclay
Absorption dans le domaine X et XUV dans un plasma de Z-intermédiaire Interprétation d’expériences réalisées sur le laser LULI 2000
Absorption dans le domaine X et XUV dans un plasma de Z-intermédiaire Interprétation d’expériences réalisées sur le laser LULI 2000

Fig.1. Transmission d’un plasma de nickel avec tampons de carbone.
Mesure LULI campagne 2013 et calculs FAC en mode détaillé et moyenné en configuration. Paramètres du calcul T = 25 eV, ρ = 3mg/cm3, densité surfacique 35 µg/cm2 pour le nickel. La présence de tampons de carbone avec T = 20 eV, ρ = 1 mg/cm3 est prise en compte

Cette ligne de recherche est consacrée à l’analyse de mesures d’opacités réalisées au cours d’expériences d’interaction laser-plasma, notamment sur le laser LULI 2000 de l’École Polytechnique. La spectroscopie d’absorption est un outil puissant qui donne des informations précieuses notamment sur la structure électronique des ions ou sur le transfert radiatif. De telles informations sont essentielles dans l’étude des plasmas astrophysiques ou de confinement inertiel : pulsation des étoiles beta-Cephei, position de la limite radiation-convection dans les intérieurs stellaires, absorption de rayonnement par l’ablateur dans l’implosion d’une capsule DT. L’interprétation des mesures d’opacité X du fer à une température de 180 eV environ et une densité de l’ordre de 1021 e/cm3 constitue en particulier un problème ouvert du fait de mesures environ deux fois supérieures aux prédictions théoriques [Bailey2015].  


Diverses campagnes de mesures d’opacités ont été réalisées au LULI sur des éléments de Z faible ou moyen d’intérêt astrophysique :  Al, Fe, Ni, Cu. La campagne 2013 a permis la mesure d’opacité de Ni, Al dans le domaine X, interprété grâce au code hybride SCO-RCG [Dozieres2015]. La campagne de 2016 a permis pour la 1re fois de mesurer simultanément l’absorption X et XUV. 


Le travail théorique consacré à cette campagne et présenté ici est fondé sur l’utilisation du Flexible Atomic Code (FAC) [Gu2008]. Nous avons développé un post-processeur qui dérive des données atomiques les dépendances spectrales des sections efficaces d’absorption lié-lié et lié-libre. Ce calcul peut être mené en mode détaillé (appelé aussi en « structure fine »), moyenné en configuration (mode UTA pour unresolved transition array , qu’il faudrait appeler en toute rigueur SOSA pour spin-orbit split array ), ou hybride. Cette dernière option a été récemment incluse dans le code FAC par les développeurs et testée dans le domaine X pour le cas du nickel à 25 eV  [Poirier2018]. 


Les mesures faites au LULI en 2013 ont été comparées à des calculs FAC en mode détaillé ou moyenné en configuration. Dans la région 850 eV – 1025 eV où on observe les structures 2p-3d et 2p-4d, le calcul FAC en mode détaillé est en bon accord avec ces mesures (Figure 1). On notera que la valeur minimale mesurée de la transmission autour de la structure 2p-3d à 900 eV est en meilleur accord avec le calcul détaillé : il est connu que la méthode des faisceaux de transitions surestime l’absorption dans les cas où celle-ci est « saturée » [Chenais2001]. En revanche la description des transitions 2p-4d est de qualité comparable en mode détaillé et moyenné.


L’opacité d’un plasma de tungstène dans des conditions proches de celles du divertor d’un tokamak a été étudiée, en comparant notamment la contribution des transitions de type dipolaire électrique et dipolaire magnétique. Voir la page Moyennes en configurations et faisceaux de transitions.

 

 

L’analyse des résultats obtenus au LULI en 2016 [Dozieres2018] a été menée récemment. Pour limiter l’effet de l’émission propre des cavités dans le domaine XUV, l’énergie des tirs a été réduite lors de cette campagne. La figure 2 présente une comparaison des transmissions mesurée et calculée avec le code FAC. La contribution lié-libre, autrement dit celle de la photoionisation, a été calculée en mode UTA. Pour la contribution lié-lié nous avons utilisé le mode hybride de FAC, à savoir une description détaillée des transitions 2p-3d, y compris celles incluant un électron spectateur de la couche n=4, et une description moyennée pour les autres transitions. La description de la transmission 2p-3d autour de 900 eV est correcte. On note un déplacement des structures 2p-4d autour de 925-950 eV de 2 à 4 eV par rapport à la mesure, écart qui se retrouve avec le code SCO-RCG. En revanche la profondeur des structures 2p-4d est correctement décrite. 


Pour reproduire de façon satisfaisante les dites structures il est nécessaire de prendre en compte l’effet d’électrons spectateurs dans la couche n = 4. Cet effet est illustré par la figure 3 qui présente un calcul dans le nickel à 10 eV et 5 mg/cc, densité surfacique  35.2 µg/cm2. Sans spectateur ou avec seulement un spectateur 4d ou 5d le calcul FAC est en net désaccord avec les mesures autour de 900 – 950 eV. En incluant tous les spectateurs 4l ou les spectateurs nl avec n jusqu’à 8 l’accord s’améliore sensiblement.

 
Absorption dans le domaine X et XUV dans un plasma de Z-intermédiaire Interprétation d’expériences réalisées sur le laser LULI 2000

Fig.2. Calcul de transmission d’un plasma de nickel et mesure au LULI (campagne 2016). La densité surfacique du nickel est 35 µg/cm2. La transmission des tampons de carbone est calculée en supposant T = 10 eV, ρ= 3 mg/cm3, σ = 42 µg/cm2.

Absorption dans le domaine X et XUV dans un plasma de Z-intermédiaire Interprétation d’expériences réalisées sur le laser LULI 2000

Fig.3. Effet d’un électron spectateur sur la transmission 2p-nd d’un plasma de nickel. Les calculs sont effectués à l’aide du code FAC en mode UTA.

Références :

  • [Bailey2015] J Bailey et al, “A higher-than-predicted measurement of iron opacity at solar interior temperatures”, Nature 517 56 (2015).
  • [Chenais2001] C Chenais-Popovics et al, “L-band x-ray absorption of radiatively heated nickel”, Phys.Rev. E. 65, 016413 (2001).
  • [Dozieres2015] M Dozières et al, “X-ray opacity measurements in mid-Z dense plasmas with a new target design of indirect heating”, HEDP 17 231 (2015).
  • [Dozieres2018] M Dozières et al, “Simultaneous X-ray and XUV absorption measurements in nickel laser-produced plasma close to LTE” HEDP, submitted (2018).
  • [Gu2008] M F Gu, “The flexible atomic code”, Can J Phys 86 675 (2008).
  • [Poirier2018] M Poirier, “Opacity calculations in X and XUV range using a detailed atomic code”, Contrib. Plasma Phys. 58 1005 (2018).
     
 
#3039 - Màj : 29/11/2018

 

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