3. Diagnostics spectroscopiques
3.1. Spectroscopie X et XUV
3.1.3. Spectromètre à réseau
Le spectromètre à réseau [17,18,19] que nous avons utilisé a été mis en place de telle façon qu’une grande gamme en longueur d’onde soit accessible. Nous voulions étendre le domaine spectral de 10 à 140 Å. Pour cela, nous avons employé un réseau en transmission, précédé d’un miroir en or. Le rayonnement transmis était recueilli à l’arrière par une CCD 1024×1024 Photometrics refroidie.
Dans ce paragraphe, nous allons présenter les principes de base du spectromètre à réseau, puis nous donnerons le schéma spécifique à l’expérience ainsi que les caractéristiques du montage.
Montage expérimental et caractéristiques
Le spectrographe est muni d’un réseau en transmission constitué d’une grille en or d’épaisseur 5000 Å avec 5000 traits par millimètre, soit un pas de a=0.2 µm. Une fente d’ouverture A=500 µm a été placée devant le réseau au moyen d’un microscope de telle manière que les traits du réseau soient parallèles à la fente. La figure III-21 représente le schéma de principe du spectrographe utilisé pour nos expériences. Les rayons X émis par le plasma sont réfléchis en incidence rasante à 3.6° par un miroir en or puis diffractés par le réseau. La CCD est placée à la distance R du réseau. Sur la figure III-21, on a repéré la position de l’ordre zéro par un trait vertical en pointillés. L’encart sphérique pointillé est un agrandissement du réseau. On distingue la grille qui le constitue et les différents paramètres sont repérés et l’on a précisé leur valeur.
En pratique, on aligne le spectrographe pour que l’ordre zéro du réseau soit au bord de la caméra CCD, de manière à couvrir la plus large gamme en longueur d’onde possible. Le miroir a été placé à mi-distance du plasma et du détecteur afin d’obtenir une image avec un grandissement G=1. Ainsi, la distance plasma-miroir est de 318 mm, miroir-réseau de 50 mm et celle séparant le réseau du détecteur de 268 mm. Le chip CCD de la caméra Photométrics mesurant 2.46 cm, on peut donc espérer observer la gamme 0 à 180 Å environ.
Figure III- 21: Principe du spectromètre à réseau ; la partie en pointillés détaille la géométrie du réseau à transmission et ses caractéristiques principales.
Principe de base d’un réseau
Les spectromètres à réseau de résolution moyenne, ont été largement employés [20,21,22] dans le but de couvrir une gamme large en longueur d’onde, que ne peuvent atteindre les cristaux du fait de leur distance inter- réticulaire trop faible.
L’intensité incidente sur un réseau peut être décomposée en une somme discrète d’ondes planes, qui seront chacune diffractée sur les traits du réseau. Ainsi, chaque trait se comporte comme une source ponctuelle de Miroir en or 4µm 120µm, soit 600 traits Fente de 500µm Fenêtre CCD Réseau en transmission avec fente x R Position de l’ordre zéro
parcourent un certain chemin optique e. L’intensité sortante sera constructive si et seulement si la différence de chemin optique ∆e=a sinθ est un multiple entier de la longueur d’onde du rayonnement incident. Soit :
mλ
=asinθ
≅
a
Rx
(eq. III-4)
où a est le pas du réseau
x est la position par rapport à l’ordre zéro R la distance réseau détecteur
m est l’ordre de diffraction
La relation de dispersion (eq. III-4) est une fonction quasi-linéaire. En théorie, la longueur d’onde la plus élevée que nous puissions détecter est donnée pour λ=a, mais elle est en pratique limitée par la taille du détecteur. La longueur d’onde la plus courte que l’on puisse atteindre est, elle, limitée par la coupure induite par le miroir en or.
Transmission d’un réseau
Comme l’indique la relation de dispersion (eq. III-4), une longueur d’onde peut donner une contribution en plusieurs endroits du détecteur. On la retrouvera à la position
λ
Ra
, 2λ
Ra , 3λ Ra , etc. Cependant, chaque ordre ne contribue pas avec la même intensité au spectre (voir figure III-22). Le réseau que nous avons utilisé est de faible épaisseur (5000 Å), une partie du rayonnement X le traverse de part en part. Ainsi, pour tenir compte de cet inconvénient, Ceglio [22] et Braüninger [23] ont donné une expression de la transmission:(
2)
2 cos 2 1 sin b b m m Tm − + = πγπ φ (eq. III-5)où γ est le rapport cyclique du réseau (espace vide/pas du réseau) b² est la transmission à travers les barreaux en or et φ le déphasage qui en résulte.
Dans notre cas, γ=0.38, ce qui représente une intensité pour l’ordre 2 de 14% de celle de l’ordre 1. Il est donc nécessaire d’éliminer de nos spectres les harmoniques supérieures. Pour cela, un programme de déconvolution, que nous n’aborderons pas ici, a été développé par
Résolution spectrale du spectromètre à réseau
La résolution spectrale est essentiellement gouvernée par deux facteurs :
la résolution idéale intrinsèque du réseau ∆λD
la résolution géométrique ∆λG liée à la taille de source ∆S et à l’ouverture de la fente
La résolution liée à la dispersion dépend du nombre de traits vus à travers la fente : N m D λ λ = ∆ (eq. III-6)
Néanmoins, cette résolution ultime est rarement atteinte au cours d’une expérience de spectroscopie. Ce sont plutôt les effets géométriques liés aux aberrations du miroir et à la taille de la source qui déterminent la résolution du spectromètre :
∆λG=G∆SRa (eq. III-7)
où G est le grandissement du spectromètre.
Pour un plasma de diamètre à mi-hauteur de 160 µm, en considérant que le grandissement vaut 1, la résolution est constante sur toute la gamme et vaut 1.19 Å.
Spectre obtenu
Comme nous le préciserons en détail au chapitre 4, les spectres enregistrés s’étalent donc entre et 10 et 140 Å. La figure III-22 présente un spectre typique d’émission XUV d’un plasma de xénon. Celui-ci a été obtenu lors de l’irradiation d’une cible gazeuse de xénon à une pression de 6.6 bars, avec une impulsion laser nanoseconde.
Figure III-22 : Spectre de xénon entre 20 et 140 Å. La pression dans le jet était de 6.6 bars réels, et l’impulsion laser arrivait à 1.3 mm au dessus de la buse. L’intensité
avoisinait les 1014W/cm².
Les longueurs d’onde sont le long de l’axe vertical. Sur cette figure III-22, on distingue l’ordre zéro au pixel vertical 125, caractérisé d’une part par sa largeur spectrale et d’autre part par son étalement le long de l’axe spatial. De part et d’autre de celui-ci, on retrouve l’ordre 1 du spectre et éventuellement les ordres supérieurs. Ainsi, symétriquement au pixel 125 et le long de l’axe vertical, on trouvera les longueurs d’onde croissantes dirigées vers le haut pour des pixels supérieurs à 125, et vers le bas pour les pixels compris entre 0 et 125. La calibration des différents spectres sera décrite au chapitre 4.
λ
λ Ordre 0 Ouverture de la fente