CHAPITRE II DEMARCHE EXPERIMENTALE : CONTROLE ET OPTIMISATION DES
PARAMETRES SUR L'EMISSION X ... 105 A] INTRODUCTION ... 108 B] LE LASER... 110 B-1]PRESENTATION GENERALE DU SERVEUR LUCA... 110
B-1-a) Oscillateur femtoseconde ... 111 B-1-b) Etirement et compression de l'impulsion... 112 B-1-c) Amplification ... 112
1°) Amplificateur régénératif... 113 2°) Amplificateur multipassages... 113 B-2]ÉCLAIREMENT LASER... 113
B-2-a) Durée d'impulsion :... 114
1°) Principe de l'autocorrélateur à échantillonnage... 115 2°) Estimation des aberrations temporelles... 117 2°-i) Origine des aberrations ... 117 2°-ii) Calcul des aberrations et exemple de simulation ... 119 2°-iii) Résultats pour la lentille ... 121 2°-iv) Résultats pour le hublot... 122
B-2-b) Rayon de la tâche focale ... 122
1°) Principe de la mesure... 122 2°) Procédure de dépouillement des images ... 123 3°) Résultats ... 124
B-2-c) Énergie par impulsion ... 125
1°) Principe de la mesure... 125 2°) Résultats ... 126 B-3]CONTRASTE... 127 B-4]GENERATION D'IMPULSION A 400 NM... 130
B-4-a) Caractéristique spatiale ... 130 B-4-b) Caractéristique temporelle... 130
B-5]POLARISATION LINEAIRE / CIRCULAIRE... 133 B-6]RECAPITULATIF... 134 C] LE JET D'AGREGATS ... 136 C-1]GENERALITES PHYSIQUES DES AGREGATS DE GAZ RARE... 136
C-1-a) Potentiel d'interaction... 136 C-1-b) Structure cristalline ... 137 C-1-c) Déplacement des niveaux d'énergie ... 138
1°) Evolution du premier potentiel d'ionisation avec la taille ... 139 2°) Evolution de l'énergie de liaison des électrons internes avec la taille ... 139 C-2]FORMATION DES AGREGATS... 141
C-2-a) Principe de fonctionnement d'une source d'agrégats... 141 C-2-b) Thermodynamique de la formation et de la croissance des agrégats ... 142 C-2-c) Conditions thermodynamiques et cinématiques d'un jet supersonique pulsé... 144
C-3]CARACTERISTIQUES INTRINSEQUES DU JET D'AGREGATS... 146
C-3-a) Estimation de la taille des agrégats via des lois semi – empiriques issues de la spectroscopie de masse ... 147
1°) Théorie d'Hagena... 147 2°) Application à nos conditions expérimentales... 150
C-3-b) Apport des mesures optiques... 151
1°) Densité atomique moyenne... 152 2°) Taux de condensation et rayon moyen des agrégats ... 154 3°) Taille moyenne des agrégats... 155 C-4]BILAN... 155
C-4-a) Distribution en taille des agrégats... 156 C-4-b) Récapitulatif : estimation de la taille des agrégats... 157
D] LA DETECTION X ... 161 D-1]DETECTEURS SI(LI) ... 162
D-1-a) Efficacité des détecteurs Si(Li) ... 163 D-1-b) Angle solide ... 165 D-1-c) Résolution ... 166 D-1-d) Étalonnage en énergie ... 166 D-1-e) Transmission des filtres ... 168 D-1-f) Transmission totale des détecteurs Si(Li)... 169
D-2]SPECTROMETRE CRISTALLIN... 169
D-2-a) Détecteur à localisation... 170 D-2-b) Cristal ... 172 D-2-c) Transmission totale... 175 D-2-d) Caractéristiques du spectromètre cristallin... 175
1°) Contrôle de l'uniformité de l'efficacité du détecteur à localisation ... 175 2°) Étalonnage en énergie du détecteur à localisation ... 176 3°) Plage angulaire et uniformité de la réflectivité du cristal... 177 4°) Dispersion et plage en énergie du détecteur à localisation... 179 5°) Résolution... 180 6°) Récapitulatif ... 181 D-3]ÉLECTRONIQUE ASSOCIEE ET CHAINE D'ACQUISITION... 183 E] OPTIMISATION DU RECOUVREMENT SPATIAL DE L'IMPULSION LASER ET DU JET
D'AGREGATS ... 185 E-1]DELAI VANNE – LASER... 186 E-2]TRANSLATION XY DU JET D'AGREGATS... 188 E-3]DEPLACEMENT EN l DE LA LENTILLE... 189
A] Introduction
Le schéma synoptique du dispositif expérimental utilisé lors des expériences décrites dans ce manuscrit est présenté sur la Figure II-1.
Chaîne laser du serveur LUCA C o mpre ss eur Mesure de la durée d’impulsion Atténuateur d’énergie Mesure de l’énergie par impulsion Lentille de focalisation Hublot Cristal doubleur (pour UV) Système de production d’agrégats Mesure de la pression en amont de la
buse Système de détection X
Mesure du contraste Lame λ/ 4 (pour polarisation circulaire) Voie femto 2 Chambre d’interaction Mesure de la tâche focale et contrôle de la polarisation
Figure II-1 : Schéma général du dispositif expérimental.
Le faisceau laser issu du serveur LUCA (Laser Ultra – Court Accordable) est focalisé à l'aide d'une lentille convergente à l'intérieur de la chambre d'interaction et croise en son centre le jet d'agrégats. Celui – ci est produit par expansion adiabatique d'un gaz rare sous une pression P0
(Argon, Krypton, Xénon) à travers un embout de petit diamètre (buse de condensation). Une vanne à action rapide permet la formation de "pulse" d'agrégats qui doivent être synchronisés avec l'arrivée de l'impulsion laser au centre de la chambre d'interaction. Afin de mener à bien les études quantitatives sur l'émission X que nous avons entreprises, il a été nécessaire de contrôler, lors des différents campagnes d'expériences, les paramètres physiques intervenant lors de l'interaction tant en ce qui concerne le laser (éclairement, durée d'impulsion, polarisation, …) que les agrégats (densité atomique moyenne, taille). Il sera donc présenté
dans ce chapitre les études qui ont été menées afin de contrôler les grandeurs pouvant influer sur l'émission du rayonnement X tant en ce qui concerne le laser (partie B de ce chapitre) que le jet d'agrégats (partie C de ce chapitre). Le système de détection est composé de trois détecteurs X (2 détecteurs Si(Li) + 1 spectromètre cristallin) et permet de déterminer les caractéristiques fondamentales du rayonnement X émis lors de l'interaction du laser avec les agrégats : taux absolu de photons X et distribution en état de charge des ions émettant le rayonnement X. Il sera présenté dans la partie D de ce chapitre les propriétés fondamentales du système de détection utilisé. Enfin, nous présenterons dans la partie E les expériences qui concernent plus spécifiquement l'optimisation du recouvrement spatial entre l'impulsion laser et le pulse d'agrégats par l'intermédiaire de l'émission X.
B] Le laser
Le développement ces dernières années des sources lasers ultra – courtes (jusqu'à quelques dizaines de femtosecondes) et intenses (~ TW) a été rendu possible grâce à l'utilisation combinée de l'oxyde d'aluminium dopé au titane (Ti:Al2O3) comme milieu amplificateur et de la technique CPA ("Chirp Pulse Amplification") [Mourou, Barty & Perry, 1998] [Perry & Mourou, 1994]. De tels lasers de puissance sont maintenant présents dans de nombreux laboratoires à travers le monde et il est actuellement possible de caractériser parfaitement les impulsions laser délivrées par ces sources femtosecondes tant du point de vue spectral et temporel que spatial. Le serveur LUCA (Laser Ultra – Court Accordable) du CEA Saclay, utilisé lors des expériences décrites dans ce manuscrit, est un laser femtoseconde de puissance qui bénéficie de la présence de nombreux diagnostics en ligne permettant de caractériser au mieux les impulsions laser. Nous allons détailler, dans un premier temps, le principe général de fonctionnement du laser femtoseconde utilisé puis nous présenterons les propriétés intrinsèques de la lumière laser venant interagir avec le jet d'agrégats au niveau de la zone d'interaction et comment nous les avons contrôlées.