Diagnostics optiques

La cam´era intensifi´ee (source : [Brault07])

Le type de cam´era utilis´e dans notre ´etude est une cam´era intensifi´ee d´eclench´ee (4QuickE, de Stanford Computer Optics) qui avait ´et´e acquise initialement par la labo- ratoire en vue de r´ealiser un programme d’imagerie de fluorescence induite par laser.

Cette cam´era pr´esente les caract´eristiques suivantes : – capteur CCD intensifi´e (0-1300V)

– vitesse d’enregistrement : 25 images/seconde

– temps d’exposition du capteur intensifi´e minimal : 1ns – r´eponse spectrale de la photocathode : 300 nm `a 600 nm – r´esolution : 736x572 pixels

– d´eclenchement interne ou externe – images cod´ees sur 14 bits

– l’objectif est un zoom ×5 avec une distance de mise au point allant de 2 m `a l’infini Lors des enregistrements, elle est plac´ee dans l’axe de la colonne de plasma de MIS- TRAL et r´ealise donc des images cumul´ees sur une ligne de vis´ee axiale. La faible vi- tesse d’acquisition de cette cam´era ne permet pas de faire des enregistrements vid´eo des r´egimes instables d’une fa¸con comparable `a des dispositifs tels que la cam´era ultra-rapide con¸cue au sein de l’´equipe MISTRAL[Brault06][Brault07]. N´eanmoins, elle dispose d’un d´etecteur intensifi´e, ce qui permet d’obtenir des images de r´egimes tr`es peu lumineux.

Cette cam´era n’a donc pas ´et´e utilis´ee pour faire des films `a proprement parler mais des photographies du plasma `a des instants pr´ecis. Pour cela, il a ´et´e n´ecessaire de mettre au point un protocole exp´erimental de d´eclenchement de la cam´era en fonction des si- gnaux enregistr´es par une sonde de r´ef´erence, c’est-`a-dire de d´eclencher la cam´era quand le signal de sonde pr´esente une forme d’onde pr´ed´efinie. A cette fin on utilise un oscillo- scope moderne, en l’occurrence un mod`ele WaveSurfer de Lecroy qui dispose d’un mode de d´eclenchement ´evolu´e ou un oscilloscope Tektronix-5000. En visualisant le signal de sonde sur une ou deux voies de l’oscilloscope, nous pouvons envoyer un signal en sortie externe de niveau TTL pour d´eclencher l’acquisition uniquement quand des conditions pr´ecises sont r´ealis´ees. C’est g´en´eralement le niveau du signal (passage d’un pic de den- sit´e) qui conditionne la sortie du signal de d´eclenchement envoy´e ensuite vers la cam´era pour la synchroniser.

Dans le chapitre 6 on verra que dans le cas de modes r´eguliers, notre cam´era intensifi´ee permet d’obtenir des images des ph´enom`enes tournant autour de la colonne de plasma en utilisant un d´eclenchement `a retard continˆument variable. Pour cela, un g´en´erateur d’im- pulsions retard´ees est ins´er´e dans le circuit de d´eclenchement des cam´eras. Ce g´en´erateur va ajouter un d´ecalage temporel entre le signal TTL qu’il re¸coit et celui qu’il va pro- duire. De cette fa¸con, en augmentant progressivement le d´ecalage entre la d´etection d’un ´

ev´enement dans la trace et l’instant o`u la photographie est prise, il est possible de suivre l’´evolution temporelle de la structure dans le plasma.

La fluorescence induite par laser (LIF)

Terminons notre tour d’horizon exp´erimental par une pr´esentation du dispositif de fluorescence induite par laser (LIF). Pr´ecisons d’abord que que la mise en place de la LIF

sur notre dispositif exp´erimental ainsi que les mesures pr´esent´ees au chapitre 6 sont `a mettre au cr´edit de Cyril Rebont et Nicolas Claire, chercheurs au laboratoire PIIM. Nous renvoyons donc le lecteur au manuscrit [Rebont10] pour les d´etails pr´ecis sur les aspects physiques de la LIF et la technique du proc´ed´e, r´esum´ee succinctement figure 4.7.

En bref la mesure par LIF permet th´eoriquement une reconstruction de la fonction de distribution ionique grˆace `a l’analyse du rayonnement ´emis par les ions du plasma `a la suite d’une transition atomique vers un ´etat m´eta-stable provoqu´ee par un faisceau laser r´egl´e `a la fr´equence exacte d’excitation voulue (3d2_G

9/2 → 4p2F7/2 pour l’ion Ar+, qu’on

notera simplement 1 → 2). Cette fr´equence ´etant directement d´ependante de l’effet Dop- pler dˆu `a la vitesse de l’ion - au travers de la condition de r´esonance ωtrans = ω12+ ~k.~vi4

- on obtient par un balayage en fr´equence autour ω12, un signal proportionnel `a la po-

pulation d’ions pr´esentant dans la direction de mesure une vitesse donn´ee. Soulignons par ailleurs qu’il est n´ecessaire, afin d’obtenir un rapport signal sur bruit satisfaisant, de r´ealiser soit un balayage lent qui nous fournit uniquement une moyenne temporelle de la distribution, soit un balayage rapide synchronis´e avec une sonde de r´ef´erence5_{qui permet}

une mesure r´esolue en temps moyennant un cumul des mesures successives. Cette derni`ere utilisation n’´etant bien sˆur possible que dans le cadre de l’observation de modes r´eguliers.

Figure 4.7 – Sch´ema de principe d’un dispositif de LIF.

4. avec ωtrans la fr´equence de transition d´ecal´ee (= la fr´equence de laser), ω12 la fr´equence de la

transition 1 → 2 `a vitesse nulle, ~k le vecteur d’onde de l’onde incidente et ~vi la vitesse de l’ion

En pratique la distribution ionique mesur´ee par LIF est entach´ee de plusieurs erreurs syst´ematiques [Rebont10] :

– l’´elargissement spectral (essentiellement l’effet Zeeman) qui provoque une sures- timation de la largeur spectrale (≈ 15 % dans nos conditions) et donc de la temp´erature ionique.

– l’impr´ecision sur la direction de mesure caus´ee par l’acc`es optique difficile : la mesure n’est jamais purement axiale, radiale ou azimutale. D’o`u une erreur possible sur la vitesse moyenne en particulier.

– la taille finie de l’´echantillon optique (environ 8mm) qui provoque un moyennement spatial et directionnel (surtout `a faible rayon).

– l’erreur due `a la dur´ee de la mesure (plusieurs minutes) qui la rend sensible `a la d´erive thermique de la machine, particuli`erement en utilisation synchronis´ee puisque la fr´equence du mode peut varier sensiblement.

Concr`etement si ces mesures pr´esentent un int´erˆet qualitatif certain, il nous faut cepen- dant les traiter avec beaucoup de pr´ecaution puisque, comme l’a soulign´e leur auteur[Rebont10], des efforts exp´erimentaux restent `a entreprendre pour am´eliorer leur fiabilit´e.