Caractérisation hydrodynamique et spectroscopique de plasmas de carbone, aluminium et germanium produits par impulsion laser picoseconde

Hydrodynamic and spectroscopic characterization of carbon, aluminium and germanium plasmas produced by picosecond laser pulses.

• 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-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire pour l'utilisation des lasers intenses (Palaiseau, Essonne ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Annie Klisnick
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Séréna Bastiani-Ceccotti, Dimitri Batani, Gilles Maynard, Stefan Hüller, Jean-Christophe Pain
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dimitri Batani, Gilles Maynard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie des rayons X

Hydrodynamique

Plasmas (gaz ionisés)

Impulsions picosecondes

Mots clés libres

Spectroscopie

Hydrodynamique

Laser

Plasma

Spectroscopy

Hydrodynamic

Laser

Plasma

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.

X-ray spectroscopy plays a key role in the domain of laser-generated plasmas as a crucial tool for the investigation of their atomic properties and hydrodynamic evolution. Its role is essential when the evolution of the plasma is mostly determined by radiative transfer phenomena. This is the case for both direct and indirect-drive in Inertial Confinement Fusion (ICF) configurations.Reliable atomic models are needed for hydrodynamic and atomic kinetic codes to simulate the evolution of the plasma. To validate their assumptions and approximations, experimental data must be provided that cover both the emission spectrum and the hydrodynamic evolution with mutually independent diagnostics.We will present the results of the two first steps of a pluriannual project. The two experimental campaigns were realized on the ELFIE laser facility of the LULI laboratory.We first tested an experimental setup by characterizing well-known elements: C and Al. The configuration of the target structure and the drive laser parameters have been optimized in order to obtain a homogeneous plasma. In this case, a 5 ps laser pulse at moderate intensity (I = 10^15 – 10^16 W/cm^2) was focused onto a structured target composed by a Si3N4 substrate coated by a C or Al layer. The electronic density has been measured with a Nomarski interferometer. The Al X-ray and the C XUV emission spectra was measured with a reflection grating spectrometer. The results concerning hydrodynamic and spectral properties of the laser-generated plasma have been compared to the output of the MULTI-fs hydrodynamic code and of the PrismSPECT atomic kinetic software, confirming the reliability of the setup. A good agreement between the experimental and numerical data has been found for aluminium and carbon.The second campaign was aimed to apply a similar configuration to the study of germanium, a well-known ICF ablator material. A 4 ps laser pulse at high intensity (I = 10^17 W/cm^2) was focused onto an aluminium, germanium or compound target (aluminium + germanium) of various width. The electronic density has been extracted via the shadowgraphy technique. The emission spectra have been measured with a Von Hamos PET crystal spectrometer in the 1500-2100 eV spectral range. The experimental results, coupled with the use of MULTI-fs code, showed that the hydrodynamic expansion of the plasma is strongly modified by a pre-pulse. Experimental spectra have been compared to the results of one temperature-one density model and time integrated synthetic spectra via the atomic kinetics codes PrismSPECT and DEDALE (CEA/DAM).Both these two diagnostics allows us to reproduce the plasma expansion and X emission for the two elements. Mixture analysis didn’t show any difference with the single element case.Although the MULTI-fs code overestimates the plasma parameters of the first 200 ps from the laser pulse, probably because of the limitations given by the absorption model, it has been possible to well reproduce the plasma expansion and emission of the two elements.