Caractérisation hydrodynamique et spectroscopique de plasmas de carbone, aluminium et germanium produits par impulsion laser picoseconde
Auteur / Autrice : | Ambra Morana |
Direction : | Séréna Bastiani-Ceccotti |
Type : | Thèse de doctorat |
Discipline(s) : | Physique - Optique, Laser et Plasma |
Date : | Soutenance le 26/05/2021 |
Etablissement(s) : | Institut polytechnique de Paris |
Ecole(s) doctorale(s) : | École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris |
Partenaire(s) de recherche : | établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....) |
Laboratoire : Laboratoire pour l'utilisation des lasers intenses (Palaiseau, Essonne ; 1997-....) | |
Jury : | Président / Présidente : Annie Klisnick |
Examinateurs / Examinatrices : Séréna Bastiani-Ceccotti, Dimitri Batani, Gilles Maynard, Stefan Hüller, Jean-Christophe Pain | |
Rapporteurs / Rapporteuses : Dimitri Batani, Gilles Maynard |
Mots clés
Mots clés contrôlés
Mots clés libres
Résumé
La spectroscopie X joue un rôle majeur dans le domaine des plasmas générés par laser, étant un outil crucial pour l'investigation de leurs propriétés atomiques, ainsi que de leur évolution hydrodynamique. Ce rôle devient encore plus important quand l'évolution du plasma est fortement déterminée par des phénomènes de transport radiatif. Ceci est le cas de la Fusion par Confinement Inertiel dans le cas d’attaque directe et indirecte.Afin de simuler l’évolution du plasma, il est nécessaire d’avoir des modèles fiables pour les codes d’hydrodynamique et de cinétique atomique. Dans le but de valider leurs hypothèses et approximations, il faut obtenir des données expérimentales qui couvrent la partie dédiée aux spectres d’émission ainsi qu’à l’évolution hydrodynamique de façon indépendante.Nous allons présenter les résultats des deux premières campagnes d’un projet pluriannuel. Les deux campagnes expérimentales ont été réalisées sur l’installation laser ELFIE du laboratoire LULI.Nous avons d’abord testé le dispositif expérimental avec la caractérisation de deux éléments bien connus : le carbone et l’aluminium. La conception de la cible et celle des paramètres laser ont été optimisées afin d’obtenir un plasma homogène. Dans ce cas, une impulsion laser de 5 ps à intensité modérée (I = 10^15 – 10^16 W/cm^2) a été focalisée sur une cible composée d’un substrat de Si3N4 et d’une couche de C ou d’Al. Deux diagnostics principaux ont été utilisés lors de cette expérience : l’un pour mesurer le profil de densité de plasma (interféromètre optique de type Nomarski) et l’autre pour mesurer l’émission X-XUV du plasma (spectromètre à réseau de diffraction). Les résultats concernant les propriétés hydrodynamiques et spectroscopiques du plasma ont été comparés aux sorties des simulations du code hydrodynamique MULTI-fs, ainsi que celles du code de cinétique atomique PrismSPECT, confirmant la fiabilité du dispositif. Un très bon accord a été trouvé entre les résultats expérimentaux et numériques pour l’aluminium et le carbone.La deuxième campagne a permis d’utiliser une configuration similaire pour l’étude du germanium, un matériau utilisé en guise d’ablateur lors des expériences de FCI. Une impulsion laser de 4 ps à haute intensité (I = 10^17 W/cm^2) a été focalisée sur des cibles de différentes épaisseurs d’aluminium, de germanium ou d’un mélange de ces deux matériaux. Le profil de densité électronique a été extrait à l’aide d’un diagnostic d’ombroscopie. Les spectres d’émission ont été mesurés avec un spectromètre Von Hamos à cristal PET dans la gamme 1500-2100 eV. Les résultats expérimentaux, après comparaison avec des résultats de simulations issus de MULTI-fs, ont montré que l’expansion hydrodynamique du plasma est fortement modifiée du fait de la présence d’une pré-impulsion. Les spectres expérimentaux ont été comparés aux résultats d’un modèle pour une température et une densité et aux spectres synthétiques intégrés en temps calculés à l’aide des codes de cinétique atomique PrismSPECT et DEDALE (CEA/DAM).La combinaison de ces deux diagnostics nous ont permis de reproduire l’expansion du plasma et l’émission X des deux éléments purs. L’analyse du mélange n’a montré aucune différence par rapport aux cas de chacun des deux éléments purs.Cependant, nous avons observé que le code MULTI-fs surestime les paramètres plasma dans les 200 premières picosecondes suivant le passage de l’impulsion laser principale. Cette surestimation provient probablement des limitations de modélisation de l’absorption laser dans le plasma.