Emission X de plasmas : Spectroscopie et imagerie à haute résolution

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Emission X de plasmas : Spectroscopie et imagerie à

haute résolution

Alexandre Do

To cite this version:

Alexandre Do. Emission X de plasmas : Spectroscopie et imagerie à haute résolution. Physique

des plasmas [physics.plasm-ph].

Université Paris Saclay (COmUE), 2016.

Français.

�NNT :

2016SACLX061�. �tel-01492937�

NNT :

SACL

T

HESE DE DOCTORAT

DE

L’U

NIVERSITE

P

ARIS

-S

ACLAY

PREPAREE A

“L’ECOLE POLYTECHNIQUE”

ECOLE DOCTORALE N° (572)

Ondes et Matières

Spécialité de doctorat : Physique des Plasmas

Par

M. Alexandre DO

Émission X de plasma : Spectroscopie et Imagerie à Haute Résolution

Thèse présentée et soutenue à L’Ecole Polytechnique, le 07 octobre 2016 :

Composition du Jury :

Professeur des universités, INSP

Mme. Lamour, Emily

M. Jonnard, Philippe

M. Primout, Michel

Directeur de recherche, LCPMR

Ingénieur- hercheur, CEA

Rapporteur

Rapporteur

Examinateur

Université Paris-Saclay

Espace Technologique / Immeuble Discovery

Titre : Emission X de plasma : Spectroscopie et Imagerie à Haute Résolution

Mots clés : Physique atomique, interaction laser-matière, spectroscopie X, instrumentation, lentille à

zone de Fresnel, imagerie X, fusion par confinement inertiel

Résumé : La plupart des plasmas créés en

laboratoire dans des expériences relevant, par

exemple, de la fusion à confinement inertiel

sont

des

plasmas

Hors

Equilibre

Thermodynamique

Local

(ETL).

La

modélisation de la cinétique atomique de ces

plasmas est cruciale pour comprendre et

diagnostiquer les propriétés radiatives de ces

milieux. Il y a une forte demande pour la

réalisation d’expériences de spectroscopie X

dans lesquelles le plasma est caractérisé par des

diagnostics

indépendants.

Et

donc

le

développement de nouveaux diagnostics pour

ces expériences est aussi un enjeu majeur.

Dans la continuité d’une série

d’expériences précédentes, on a réalisé l’étude

spectroscopique de la couche K d’aluminium

(Al, Z

Al

= 13) et de la couche L du bromure de

potassium (KBr, Z

K

= 19, Z

Br

= 35). Le but est

d’obtenir simultanément la mesure de

l’émission X du plasma et une caractérisation la

plus complète possible des paramètres

hydrodynamiques

du

plasma

émetteur.

Cependant il a été difficile de reproduire ces

résultats expérimentaux par les codes de

simulations car les gradients de densité

électronique et de température électronique

étaient trop importants.

Une nouvelle expérience préliminaire a

été réalisée sur l’installation ELFIE sur des

cibles de Z moins élevé, d’Al et de C pour

montrer qu’il était possible de mieux contrôler

les paramètres hydrodynamiques du plasma afin

que ce dernier soit plus homogène et donc plus

facile à modéliser. Suite aux résultats de cette

expérience, on a pu ajuster les différentes

géométries (diagnostics et cibles) afin de la

reproduire sur un plasma de KBr.

Dans le cadre du projet Laser MégaJoule (LMJ)

des imageurs X devront observer la surface de

microballons. Les résolutions à atteindre seront

de l’ordre de quelques microns.

On a réalisé une étude préliminaire des

Lentilles à Zone de Fresnel (LZF) comme

composant optique d’un nouveau microscopeX

à très haute résolution spatiale. On a dans un

premier temps réalisé la métrologie des LZF sur

des installations synchrotrons (SOLEIL,

BESSY II) et laser (EQUINOX) et mesuré des

monochromatique. En ajoutant un miroir

multicouche (MMC) à la LZF, on réalise une

sélection spectrale de 100 eV centré sur la raie

He de l’aluminium (1860 eV). Ce système

constitue le diagnostic Fresnel Ultra High

Resolution Imager (FUHRI) a été utilisé sur

l’installation LULI2000 : sa résolution a été

mesurée à 3,8

diagnostic a été amélioré en 2016 par l’ajout

d’une seconde voie de mesure, appelé FUHRIx2

qui permet de mesurer simultanément la taille

de la zone d’émissions de deux longueurs

d’onde différentes. Cette expérience est un

premier pas pour montrer qu’il est possible de

remonter aux paramètres hydrodynamiques

grâce à la mesure à haute résolution des tailles

de zones émissives des différentes raies d’un

plasma.

En parallèle, on a aussi testé les LZF sur

le LMJ afin d’étudier leur potentiel et définir

leurs

conditions

d’utilisation

avec

les

restrictions d’une telle installation

Title : Plasma X-ray emission : spectroscopy and high-resolution imaging

Keywords : Atomic physics, laser-matter interaction, X-ray spectroscopy, instrumentation, Fresnel

zone plate, X-ray imaging, inertial confinement fusion

Abstract : Most of plasmas created in

laboratories for experiments in domains such as

inertial confinement fusion are non-LTE

plasmas. The modeling of the atomic kinetics

of these plasmas is crucial to understand the

radiative properties of these environments.

There is a strong demand for experiments in

which the plasma is characterized by

independent X-ray spectroscopy diagnostics.

Thus the development of new diagnostics for

these experiments is also a major stake.

In line with previous experiments, we

studied L-shell X-ray mission of aluminum (Al

Z

Al

= 13) and potassium bromide (KBr, Z

K

=

19, Z

Br

= 35). The goal here is to

simultaneously obtain the measurement of the

plasma’s X-ray emission and the most accurate

characterization possible of the hydrodynamic

parameters of this emitting plasma. However it

has been difficult to reproduce these

experimental results with simulation codes

because the electron density and temperature

spatial gradients were too important. A new

preliminary experiment was performed on

ELFIE installation for lower Z targets, Al and

C (Z = 6). Its aim is to show that we were able

to better control the plasma’s hydrodynamic

parameters in order for it to be more

homogeneous and thus easier to model.

Following

the

results

of

this

experiment, we could adjust the various

geometries (diagnostics and

For the Laser MegaJoule project (LMJ)

X-ray imagers will observe the target surfaces.

The resolutions requirements will reach the

order of a few microns.

We conducted a preliminary study of

Fresnel zone plate (FZP) as new X-ray

microscope with very high spatial resolution.

Metrology measurements of FZP were

performed on synchrotron facilities (SOLEIL,

BESSY II) and laser (EQUINOX): its

resolution was measured to be less than 3

microns for a monochromatic beam. Adding a

multilayer mirror (MMC) to the FZP provides a

spectral selection of 100 eV centered on He

line of aluminum (1860 eV). This diagnostic

was named Fresnel Ultra High Resolution

Imager (FUHRI) and was used on LULI2000

installation: we measured a 3.8 microns total

resolution in January 2015. The diagnostic was

upgraded in 2016 by adding a second

measurement channel, so called FUHRIx2,

which provides the simultaneous measurement

of the size of the emission zone of two different

wavelengths. This experiment is a first step to

show that it is possible to measure the

hydrodynamic parameters of a laser-created

plasma with high-resolution measurement of

this size for multiple lines.

In parallel, LZF the LMJ is also tested

to investigate their potential and define their

terms of use with the restriction of such a

facility.

J'ai toujours dissans honte qu'en ommençant mathèse, je n'avais jamaistou hé de

léplatedemavie.C'estdirele heminquej'aipar ouruàpartirde e momentlà.

L'ex-périen e de vie qu'a été ma thèse fait partie des meilleurs souvenirs que j'ai eu jusqu'à

aujourd'hui.Nonseulement,J'aieu la han e d'apprendre énormémentde onnaissan es

s ientiques mais plus en ore j'ai pu ren ontrer de nombreuses personnes et

personnali-tésdiérentesave quij'aieugrandplaisiràdis uteretparfoisdébattredetoutetderien.

Tout d'abordungrandmer iàmes deuxdire teursde thèsesansquiriende tout ela

ne serait possible : Séréna Bastiani-Ce ottiet Philippe Troussel. Mer i Séréna pour ta

patien e etta apa ité à mefaire omprendre mes erreurssans me vexer et désolé pour

les quelques oup de stress administratifsqu'on a pu avoir.Mer i à Philippe pour avoir

eu la patien e de débattre des entaines de fois ave moi pour se rendre ompte qu'on

disait lamême hose etpour avoir sume presseraux bons moments.

Je souhaite aussi remer ier tous les membres de mon jury pour le temps qu'ils ont

onsa rés à ma thèse et pour leurs questions pertinentes. Je tenais en ore à m'ex user

pour les nombreusesfautes d'orthographe de lapremière version.

Je remer ie également Patri k Audebert, François Amirano, Sylvie Ja quemot de

m'avoir très bien a ueilli au sein du LULI et de m'avoir apporté leur aide haque fois

que j'en ai eu besoin. Je remer ie aussi René Wrobel de m'avoir permis d'être en garde

partagée ave leCEA.

J'ai tellement de personnes à remer ier et d'ane dotes à partager que je ne pourrais

pas être exhaustif même si je le souhaitais, ependant, je vais quand même essayer. Il y

a don eu

-Sophie Baton, Béréni e Loupias et Patri k Renaudin qui m'ont permis de me faire

lamain sur ELFIEet pour avoirdonné une raison d'être à FUHRI.

-TroisFrédéri ont illuminémathèse: Frédéri Thais,dit Frédéri II,ave tes ane dotes

rigolotes(ou pas) et nos dis ussions politiques; Frédéri Lefèvre, ditFrédéri I, mon

ap-prenti d'une semainequi atrès vite surpassé le maître! J'espère queton épauleva bien;

etEnnFrédéri Pérezave tes motsdujour(quiaété déprogramméj'ail'impression)et

ton fameux"Hier,j'aivu un do umentairesur..." entrainantsouventun débat passionné

sur un sujetparfois s ientique.

-Mon ex- o bureau, Sam, qui n'a toujours pas revé malgré mes en ouragements;

om-pagnon d'(in?)fortune de master! Toujours prêt à m'expliquer ses ombines même si je

ne omprends pas toujours.

m'ont permis d'apprendre de nouveaux gros mots en Allemand ave Lotti et en Italien

ave Ambra.

-Les ompagnons de manip sur ELFIE : Ludo, qui se fait à son rle de Chef et qui

im-pose le respe t et l'obéissan e et dont les réponses soulèvent régulièrement de nouvelles

questions. Anna et Annie toutes deux toujours souriantes même après avoir réaligné 10

fois une parabole (quin'en était pas une).

-Les thésards qui ne sont pas intervenus au ours de ma thèse mais qui ont été parfois

lumièresavisées,parfois ompagnondegalère:Guilhem,Claire,Roman,Anne-Claire,

Ra-phaël,Bruno,Ri ardo,Cedri ,Mar o,Simon...-L'équipedesdiagnosti plasmaduCEA

qui m'a a epté omme l'un des leurs alors que j'étaiso iellementun fantme : Gégé,

Philippe, Dominique, Christophe, Alexandra, Mimi, Charles, Nono, Stéphane, Adrien,

lise,Isabelle, Juju, Eri , Pierre, Alain,Guigui ...

-Mes ollègues du LULI que e soitdans lesbureaux oudans les salles d'expérien es qui

ontbeau oup ontribué dire tement ouindire tement àl'aboutissement de mon travail:

Edouard, Julie, Fran k, Sandra, Philippe, Elodie, Myriam, Valérie, Elorri, Tommaso,

Mi kael, Jean-Mi hel, Joana, Doïna, Mathieu, Emilie, Fabien, Steve, Yohann, Olivier,

Ni olas, Raymond, Séverine, Ermanno, Pas al ...

Désolépour eux que j'ai oublié,mais je suis souventtête en l'airetje m'en ex use et vous

aurez une double dose de bisous!

Enn, il y a plusieurspersonnes de l'ombre qui m'ontsoutenues lors de es trois

an-nées.Sans ellesje nepensepas quej'auraispu allerjusqu'au bout,en tout as en un seul

mor eau etsaind'esprit. Il s'agitd'abordde mes parents quim'onttoujours en ouragéà

me dépasser etne jamais rien lâ her. Ensuite de ma famillequi a toujours été heureuse

pour moiquoique jefasse.EtennilyaElodie,monamour,quitoutaulongde laroute

n'a presquepas râlé quand je nissaistard, quand je travaillaisle weekend etlesoir etqui

apris soinde moietqui m'amisdes oups de piedslàoùillefallaitquand ilfallaitpour

que je garde mamotivation.

I Introdu tion 23

1 Contexte de la thèse 25

2 Obje tifs de la thèse 31

II étudespe tros opiquedel'émissiond'un plasmaHors équilibre

Thermodynamique Lo al (HETL) 33

3 Généralités théoriques 39

3.1 Conguration éle tronique . . . 39

3.2 Lesmodèles d'équilibrestatistique . . . 41

3.3 L'émissionde rayonnement . . . 44

3.3.1 L'émissionspontanée - transitionlié-lié . . . 44

3.3.2 Lare ombinaisonradiative- transitionlibre-lié . . . 45

3.3.3 Lerayonnement de Bremsstrahlung - transitionlibre-libre . . . . 46

3.4 Spe tros opie de plasma . . . 46

3.4.1 Spe tros opie de ou he K . . . 46

3.4.2 Spe tros opie de ou he L . . . 49

4 Stratégie d'analyse 51 4.1 Déterminationdes onditions hydrodynamiques . . . 52

4.1.4 Simulationà 2dimensions ave DUED . . . 56

4.2 Post-pro essing des données hydrodynamiques . . . 57

4.3 Comparaisonsaux spe tres expérimentaux . . . 57

4.4 Pertinen e de l'appro he . . . 58

5 Dispositif expérimental 59 5.1 Diagnosti shydrodynamiques . . . 60

5.1.1 Diagnosti de diusion Thomson ionique etéle tronique . . . 60

5.1.1.1 Ladiusion Thomson . . . 60

5.1.1.2 Dispositif expérimental. . . 62

5.1.1.3 Méthode d'analyse . . . 62

5.1.2 Interféromètre . . . 65

5.1.2.1 Prin ipe de l'interféromètre à prismede Wollaston . . . 65

5.1.2.2 Méthode d'analyse d'un interférogramme . . . 67

5.1.3 Ombros opie . . . 69

5.1.3.1 Prin ipe de fon tionnement . . . 69

5.1.3.2 Méthode d'analyse . . . 69

5.1.4 Interféromètrie dans le domainefréquentiel . . . 71

5.1.5 Diagnosti d'émission propre. . . 73

5.2 Diagnosti d'imagerie X . . . 74

5.2.1 Sténopés . . . 74

5.3 Diagnosti de spe tros opie X etXUV . . . 75

5.3.1 Spe tromètre à ristal de Bragg tron onique . . . 75

5.3.2 Spe tromètre àréseau en réexion en anglerasant . . . 77

6 Étude en régime nanose onde de l'émissionde ou he L du Bromurede Potassium et de ou he K de l'Aluminium 81 6.1 Présentation de l'expérien e . . . 81

6.2 Conditions laser . . . 81

6.3 Conguration expérimentale . . . 82

6.4 Présentation des ibles . . . 83

6.5 Résultatspour des ibles d'aluminium . . . 83

6.5.1 Étalonnage du spe tromètre . . . 84

6.5.2 Détermination des onditions hydrodynamiques . . . 86

6.6 Résultatspour des ibles de KBr . . . 100

6.6.1 Détermination des onditions hydrodynamiques . . . 100

6.6.1.1 Expansion du plasma. . . 100

6.6.1.2 Mesure de la densitévolumique . . . 101

6.6.1.3 Détermination de la température . . . 104

6.6.1.4 Synthèse des résultats hydrodynamiques . . . 105

6.6.2 Étude spe tros opique . . . 106

6.6.2.1 Spe tromètre . . . 106

6.6.2.2 Identi ationdes raies . . . 106

6.6.2.3 Cohéren e des spe tres mesurés . . . 108

6.6.2.4 Inuen e des paramètres laser . . . 108

6.6.2.5 Analyse des spe tres . . . 111

6.7 Remarquessur leSOP . . . 112

6.8 Con lusion . . . 112

7 Étude en régime pi ose ondede l'émissionde ou hes K du Carbone et de l'Aluminium 115 7.1 Présentation de l'expérien e . . . 115

7.2 Congurations expérimentales . . . 115

7.3 Conditions laser . . . 116

7.4 Conversion de l'énergie laser . . . 117

7.5 Géométrie des ibles . . . 117

7.6 Résultatshydrodynamiques . . . 118

7.6.1 Interféromètre . . . 118

7.6.2 FDI . . . 125

7.7 Étude spe tros opique . . . 128

7.8 Con lusion . . . 131

8 Synthèse des résultats 133

III Con eption et réalisation d'un imageur X

9.2 ...Jusqu'à un imageurrésolu temporellement en régime nanose onde . . 141

9.3 Commentobtenir une imagerieX mono hromatique? . . . 141

9.3.1 Lentillesà Zonesde Fresnel . . . 141

9.3.2 Lesmiroir mono hromateurs . . . 142

9.3.3 Lesmiroirs de Bragg-Fresnel . . . 144

9.4 Exemple d'un imageurX existant: le mi ros ope de Kirkpatri k et Baez 145 9.5 Rappelsur la dira tion . . . 146

9.5.1 Prin ipe d'Huygens-Fresnel . . . 146

9.5.2 Approximationde Fresnel . . . 148

9.5.3 Dira tion de Fraunhofer. . . 149

9.5.4 Leszones de Fresnel . . . 149

9.6 Prin ipe de fon tionnement d'une LentilleàZone de Fresnel (LZF) . . . 151

9.6.1 Cal uldes rayons des Zones de Fresnel . . . 151

9.6.2 Distan e fo ale . . . 154

9.6.3 Lesdiérents types de LZF . . . 155

9.6.3.1 LZF d'amplitude . . . 155

9.6.3.2 LZF de phase . . . 155

9.6.4 Lesdiérents ordresde dira tion . . . 157

9.6.5 Cal uldes e a ités . . . 158

9.6.6 Éliminationde l'ordre 0 . . . 160 9.6.6.1 Lentillehors-axe . . . 160 9.6.6.2 Bloqueur d'ordre0 . . . 161 9.6.7 Résolutionspatiale . . . 161 9.6.7.1 Résolutionradiale . . . 162 9.6.7.2 Larésolution axiale. . . 163 9.6.8 Profondeur de hamp . . . 164 9.6.9 Aberrations géométriques . . . 165 9.6.10 Aberrations hromatiques . . . 166

10 Fresnel Ultra-High Resolution Imager (FUHRI) 167 10.1 Présentation du diagnosti . . . 167

10.1.0.1 Prin ipe de fon tionnement . . . 167

10.1.1 Séle tion de la gammespe trale . . . 168

10.2.1 Metrologiedes LZF . . . 169

10.2.1.1 Mesure de l'e a ité . . . 170

10.2.1.2 Observation des diérentsordres de dira tion . . . 180

10.2.1.3 Mesure de la résolution . . . 180

10.2.2 Metrologiedu MMC . . . 188

10.3 étude photométriquethéorique d'une sour epon tuelle . . . 190

10.4 Résultatsexpérimentaux . . . 192

10.4.1 Résultatsà une longueur d'onde . . . 192

10.4.1.1 Présentation de l'expérien e . . . 192

10.4.1.2 Alignement . . . 193

10.4.1.3 Mesure de la résolution . . . 195

10.4.1.4 Résultats . . . 198

10.4.1.5 Con lusions . . . 200

10.4.2 Résultatsà deux longueurs d'onde. . . 201

10.4.2.1 Remarquessur larésolution . . . 203

10.4.2.2 Résultats . . . 203

10.4.2.3 Con lusions . . . 207

11 Appli ation des LZF au Laser MegaJoules (LMJ) 209 11.1 Les ontraintes géométriques . . . 209

11.2 Cal uldes ara téristiquesdes LZF . . . 211

11.3 Photométrie . . . 211 11.4 Résultatset on lusions . . . 212 IV Con lusion et perspe tives 215 11.5 on lusion . . . 217 11.6 Perspe tives . . . 219 Annexes 227 Appendi es 227 .1 Annexe A : Pro essus généralde fabri ationdes LZF . . . 229

1.1 Energie de liaison par nu léons en MeV en fon tion du nombre de masse

A [1℄. . . 26

1.2 Résumédu s héma de la ombustionpour la FCI . . . 28

1.3 S héma de l'attaque indire te . . . 29

3.1 Mé anisme de la re ombinaison radiative.. . . 45

3.2 Représentationd'unborddere ombinaisonsurunspe tred'émission quel- onque. . . 45

3.3 S hémadesniveauxd'énergies pourlaraiede résonan ed'union hydrogé-noïde

2p → 1s

etpour une raie satellite orrespondante de l'ion héliumoïde. 47 3.4 Représentation de quelques raies de résonan e hydrogénoïdes et héliu-moïdesave quelques-uns de leurs satellites. . . 48

3.5 Spe tre d'aluminiumobtenu sur l'installation LULI2000. . . 48

3.6 Représentationdequelquesraiesderésonnan euoroïdesetnéonoïdeave un satellite néonoïde provenant d'un ion sodiumoïde. Les lettres l et l' désignentdes sous- ou hes . . . 49

4.1 Présentation de lastratégie d'analyse utiliséelors notre étude spe tros o-pique. . . 51

4.2 Représentation de lades ription lagrangienne de lamatière. . . 53

4.3 SimulationSPECT3Doneshot pourdiérentestempératurepourunplasma de C à10

−

4

g· m

−

3

. . . 58

5.4 S héma du dispositifexpérimentaldu diagnosti de diusion Thomson. . 62

5.5 Exemple de spe tres (a) éle tronique et (b) ionique re ueillispar le diag-nosti de diusion Thomson . . . 63

5.6 Représentationdes diérentes dire tionsdesdé alagesdues àl'eet Doppler. 64 5.7 Coupes à diérents instants des images du diagnosti de diusion Thom-son:(a)t=1.16nsdu Thomsonéle tronique;(b) t=1.87nsdu Thomson ionique. . . 65

5.8 S héma de prin ipe d'un interféromètre de type Ma h-Zehnder. . . 66

5.9 Fon tionnementd'un prisme Wollaston . . . 66

5.10 S héma de fon tionnement de l'interféromètre . . . 67

5.11 Apparitiondes franges d'interféren e . . . 67

5.12 Ombre d'une pointe en verre pla ée (a) au TCC; (b) à d translation = 500

µ

mdu TCC. . . 68

5.13 Prin ipe de l'ombros opie. . . 69

5.14 Exemple d'un résultat typique de l'ombros opie (a) à deux dimension et intégréeen temps;(b) àune dimension résolueen temps. . . 70

5.15 S hémaexpérimentaldu FDI. . . 71

5.16 Exemple d'unemesure réalisée sur un tir ave une ible d'aluminium. . . 72

5.17 S hématypiqued'un design typique de ible permettantl'utilisationd'un diagnosti d'émission propre.. . . 74

5.18 S hémade fon tionnement d'un sténopé. . . 75

5.19 S hémade fon tionnement d'un ristal tron onique. . . 75

5.20 Exemple d'un spe tre de KBr mesuré par un spe tromètre à ristal de Braggtron onique. . . 76

5.21 Dira tion par un réseau en réexion. . . 78

5.22 Spé i ations du réseau. . . 78

5.23 Géométrie des déte teurs. . . 79

5.24 Courbesde dispersionen énergieen fon tionde lapositionlatérale

y

pour la améra CCD(bleu) et l'IP(vert). . . 80

5.25 Angle solide de la fente d'entrée. . . 80

6.1 S hémadu dispositifexpérimental. . . 82

6.2 Géométrie des ibles utilisées. . . 83

6.3 Signalbrut ré upéré sur l'IP du spe tromètre. . . 84

6.4 Représentation de l'équation de dispersion 6.1 (pointillésverts) omparée auxpointsmesurés sur l'imagedu spe tromètre ( roix bleues). . . 85

6.6 Test de reprodu tibilité des tirs Al en fon tion de l'intensité laser. . . 85

6.7 Évolution temporelle du spe tre Thomson (a) ionique et (b) éle tronique

obtenuslorsd'untirsur une ibled'Al"feuille"ave uneintensitélaser de

4,9 10 13

W· m

-2

. . . 86

6.8 Coupesdu diagnosti de diusionThomson(a)ionique et(b)éle tronique

montréessur lagure 6.7. . . 87

6.9 Comparaisonentre les mesures du diagnosti de diusion Thomson et les

simulationsMULTI pour (a)

T

e

et (b)

N

e

. . . 88

6.10 Imagesbrutes del'interféromètrepour lemêmetirque eluidu diagnosti

de diusion Thomson présenté sur la gure 6.7 : (a) image de référen e

mesurée avantle tir;(b) image interférentielle mesurée lorsdu tir. . . 89

6.11 Résultatde l'interféromètre sur une ible d'Al "feuille" ave une intensité

laser de 4,910 13

W· m

-2

. . . 90

6.12 Ombros opie réalisée sur une ible d'aluminium à une intensité laser de

2.7 10

13

W· m

-2

: (a) à deux dimensions intégrée en temps et (b) à une

dimension résolueen temps. . . 92

6.13 Tra é de rayons pour une longueur de gradient L=56,6

µ

m.. . . 92

6.14 Résultatdelamesurede ladensitépourl'ombros opieà1ns(traitrouge)

ave sabarred'erreur (zonebleutée) etpourl'interferomètre(rondsrouges). 93

6.15 Comparaisonentreuntirsurune ibled'Alave uneintensitélaserde5,31

10 13

W· m

-2

(en bleu) et des simulationsone shot réalisées ave SPECT3D. 95

6.16 Spe tresdesdiérentessimulationsdetypeoneshotréaliséesave SPECT3D

(sans normalisation). . . 95

6.17 Spe tre expérimental d'Alà 5,31 W· m

-2

(bleu, trait plein) omparé aux

spe tresdel'Al al ulésparpost-pro essingdu odeMULTIave SPECT3D

(rougeet vert pointillé). . . 96

6.18 SimulationDUED pour une ible d'Alave une intensité laser de 2,510

13

W· m

-2

à 1,5ns après lefront de montée de l'impulsionlaser. . . 97

6.19 Évolution temporelle (a) de latempératureet(b) de ladensité volumique

al uléesparDUEDpourune ibled'Alave uneintensitélaserde2,510

13

W· m

-2

à 500

µ

m du entre de la ible. . . 98

6.20 Comparaison entre : (bleu) un tir sur une ible d'Al à 5,31 10

13

W· m

-2

(vert) une simulation SPECT3D post-pro essing des donées DUED pour

une ible d'Al ave une intensité laser de 2,5 10

13

W· m

-2

et(rouge) une

simulationSPECT3Dpost-pro essing desdonéesMULTI1Dpourune ible

d'Alave une intensité laser de 2 10

13

W· m

-2

. . . 99

6.21 Images par interférométrie à diérents instants pour des ibles "dot300"

pour une intensitélaser pro he de 6 10

13

W· m

-2

6.23 Comparaisonpour ladensité éle tronique entre lessimulationsMULTI1D

et le diagnosti Thomson pour diérentes intensités à 500

µ

m du TCC

pour une ible de KBr. . . 103

6.24 Comparaisonpourlatempératureéle troniqueentrelessimulationsMULTI1D

etlediagnosti Thomsonpourdiérentesintensitésà500

µ

mduTCCpour

une ible de KBr. . . 105

6.25 Transmission de 15.6

µ

m de Beryllium. . . 106

6.26 Comparaison d'un spe tre KBr obtenu ave une ible de type "dot150"

irradiéeave une intensitélaser de 4,210

13

W· m

-2

pour une durée

d'im-pulsionde 1,5ns omparé àunesimulationSPECT3Doneshot

orrespon-dantàunetempératureéle troniquesde800eVetunedensitééle tronique

de 5 10

19 m

-3

. . . 107

6.27 Identi ationdes raies d'émission du spe tre expérimental de Br présenté

sur la gure6.26. . . 107

6.28 Spe tres mesurés sur diérents tirsave des ibles de type"dot150". . . . 108

6.29 Spe tres mesurés sur diérents tirsave des ibles de type"dot300". . . . 109

6.30 Spe tres mesurés sur diérents tirsave des ibles de type"feuille". . . . 109

6.31 Spe tresmesurés pour des tirsave une impulsionlaser de 0,5ns ave des

ibles de de type "dot300". . . 110

6.32 Spe tresmesurés sur deux tirsave des iblesde type"dot300" pour deux

durées d'impulsionlaser diérentes. . . 110

6.33 SimulationsSPECT3D one shot pour les températures éle troniques 400,

600, 800, 1000 et1200 eV ave une densité éle tronique de 5 10

19 m

-3

. . 111

6.34 Comparaison entre des spe tres de KBr obtenus ave des ibles de type

"dot300"(traitplein)etdeuxsimulationsSPECT3Dpost-pro essing

(poin-tillés). . . 112

7.1 Conguration expérimentales (a)"avant" et(b) arrière. . . 116

7.2 Géométrie des ibles utilisées pour la onguration(a) "nominale" et (b)

"inversée". . . 118

7.3 Calibrationde l'interferomètre. . . 119

7.4 Analyse de l'interféromètrepour un tirsur une ible d'Alen onguration

"arrière nominale" ave une intensité laser de 2

10

16

W· m

-2

ave des

oupes (a)longitudinaleet (b) transversale. . . 120

7.5 Tir sur une ible de C (20 nm) en onguration "nominale" ave une

intensité laser de

5 10

15

W· m

−

₂

. . . 121

7.6 Tir sur une ible de C (20 nm) en onguration "nominale" ave une

intensité laser de

2 10

16

W· m

−

₂

. . . 121

7.7 Tirsur une iblede C(20 nm)en onguration"inversée"ave une

inten-sité laser de

2 10

16

W· m

−

₂

7.8 Coupes (a) longitudinale et (b) transversale des artes des densités

éle -troniqueobtenues ave l'interféromètrepour destirssurdes iblesd'C (20

nm) ave une intensité laser de

2 10

16

W· m

−

₂

en onguration (bleu)

"nominale"et (vert) "inversée". . . 123

7.9 Coupes (a) longitudinale et (b) transversale des artes des densités

éle -troniqueobtenues ave l'interféromètrepour destirssurdes iblesd'C (20

nm) en onguration "inversée" (bleu) ave une intensité laser de

2 10

16

W· m

−

₂

et(vert) ave une intensitélaserde

1 10

15

W· m

−

₂

omparéaux

simulationsMULTI (pointillé).. . . 124

7.10 Résultatsdu FDI pour diérentstirsd'Al en onguration "nominale". . 125

7.11 Comparaisonentre deuxrésultatsexpérimentauxdu FDIetd'un al ulde

laphase issu des simulationsMULTI ave et sans ollisions(pointillés). . 126

7.12 SimulationsPIC à10

15

W· m

−

₂

jusqu'à10ps pourlafa eavant(rose) et

arrière(gris) etjusqu'à20 pspour lafa e avant (bleu)et arrière(vert) de

la ible. . . 127

7.13 Comparaison entre un spe tre d'émission d'Al ave une intensité laser de

4

10

15

W· m

−

₂

(bleu), un spe tre d'émission du Si

3

N

4

ave une intensité

laser de 1,9

10

16

W· m

−

₂

(vert) et une simulation SPECT3D oneshot du

spe tre d'émission de l'Al à

T

e

= 80eV

et

n

e

= 10

18

m

−

₃

.. . . 128

7.14 Comparaison entre plusieurs spe tres d'émission d'Al ave une intensité

laser ompriseentre4,5

10

15

W· m

−

2

et5,5

10

15

W· m

−

2

en onguration

"arrière"et"nominale" pour des épaisseurs de : 15à 20nm(bleu);20 nm

(vert);15nm(rouge);etunspe tred'émissionduSi

3

N

4

ave uneintensité laser de 1,9

10

16

W· m

−

₂

( yan).. . . 129

7.15 Comparaison entre un spe tre d'émission d'une feuille de Si

3

N

4

(bleu),

d'une ible de C (20 nm) en onguration "inversée" irradié ave une

in-tensitélaser de 2

10

16

W· m

−

₂

(vert) et d'une simulationSPECT3D one

shot à

T

e

=100 eV et

n

e

= 10

18

m

−

3

(rouge). . . 130

7.16 Simulation SPECT3D à une température éle tronique

T

e

= 100 eV

pour

desdensitééle troniquesde(bleu)5

10

19

m

−

₃

,(vert)

10

18

m

−

₃

et(rouge) 5

10

17

m

−

₃

. . . 130

9.1 Exempled'unspe tred'aluminiumobtenulorsd'uneexpérien e

d'intera -tion laser-plasmasur l'installationELFIE. . . 140

9.2 Prin ipe de on eption d'une lentillede Fresnel lassique. . . 142

9.3 S héma de prin ipe d'un miroirmulti ou hes. . . 143

9.4 Rée tivitéd'unmiroirmulti ou hesde[Pd/B4C℄ave 50périodes

d'épais-seur 5,11 nm. . . 144

9.8 Illustrationde l'hypothèse d'Huygens.. . . 147

9.9 Appli ationdu prin iped'Huygens-Fresnel. . . 147

9.10 Illustrationdes zones de Fresnel.. . . 150

9.11 Représentation s hématiquedes zones omposantune LZF. . . 151

9.12 S héma de la fo alisation d'un point sour e mono hromatique situé sur l'axeoptique. . . 152

9.13 S héma de al ul de la distan e fo ale d'une LZF. . . 154

9.14 Évolution de l'épaisseur optimale pour une LZF en fon tion de l'énergie pour trois matériaux diérents. . . 156

9.15 Répartition des diérentsordres de dira tion d'uneLZF. . . 157

9.16 E a ité pour diérents ordres de dira tion pour une lentille de Au (a) de 0,62

µ

m optimiséeà2,5 keV et(b) de 2,6

µ

m optimiséeà 12keV. . . 158

9.17 E a ité pour diérents ordres de dira tion pour une lentille de Si (a) de 2,9

µ

moptimiséeà 2,5keV et (b) de 15,2

µ

m optimiséeà 12keV. . . 158

9.18 É a itéde dira tionàl'ordre1en fon tionde l'énergiepour diérentes épaisseurs d'Au. . . 159

9.19 Cal ulde l'e a ité dira tionà l'ordre0, àl'ordre 1 età l'ordre3. . . . 159

9.20 Tra é des rayons de l'ordre 0et l'ordre1 provenant d'une sour eétendue. 160 9.21 Comparaison des zones d'é lairement par l'ordre 0 et l'ordre 1 pour une LZF hors-axe. . . 161

9.22 S héma du prin ipe de fon tionnement d'un bloqueur d'ordre 0. . . 162

10.1 S héma de fon tionnement de FUHRI. . . 168

10.2 Images réalisées au MEB des LZF (a) FUHRI et (b) FUHRIx2 ( ) Zoom sur les dernières zones de laLZF FUHRI.. . . 169

10.3 Image du dispositif expérimentalutilisé à SOLEIL. . . 171

10.4 Prin ipe de mesure de l'e a ité sur une installationsyn hrotron. . . 172

10.5 Image du dispositif expérimentalutilisé à SOLEIL. . . 172

10.6 Mesure àBESSY II du signal dire tfais eau syn hrotron à1830 eV. . . . 173

10.7 Mesure àBESSY II du signal transmispar la lentilleà1830 eV. . . 174

10.8 Mesure àSOLEIL du signal dire t fais eau syn hrotronà 1700 eV. . . 174

10.9 Mesure àSOLEIL du signal transmispar lalentilleà 1700 eV. . . 175

10.10Mesure àSOLEIL du signal transmispar lalentilleà 1600 eV. . . 176

10.11Résultatsdes mesures réaliséessur labran he X-dur de la ligne METRO-LOGIE. . . 178

10.13Courbe des e a ités mesurées à SOLEIL omparées auxe a ités

théo-riques. . . 179

10.14Observation des diérentsordres de dira tion pour une LZF. . . 180

10.15Prin ipedelamesuredelarésolutionàl'aidedelaméthode dubord fran

sur le syn hrotronBESSY II. . . 181

10.16Photo du support de la LZF, de la lame utilisée omme bord fran et de

ladiode. . . 181

10.17Cal ul de la résolution pour un fais eau syn hrotron mesurant 500

µ

m à

2625 eV. . . 182

10.18Mesure de l'évolutionde larésolution ave ladistan e LZF-diodepour un

fais eau syn hrotronde 500

µ

mde diamètreà 1852 eV. . . 182

10.19Résultats des mesures de résolution en fon tion de l'énergie pour deux

géométries de fais eau diérentes sur le syn hrotron BESSY II (a) à une

distan e LZF-diode de 254,5 mm pour un pas outeau de 1

µ

m et (b) à

une distan e LZF-diode de 254,5 mmpour un pas outeau de 0,2

µ

m. . . 183

10.20Mesure de l'évolutionde larésolution ave ladistan e LZF-diode pour un

fais eau syn hrotron de 500

µ

m de diamètre pour un pas de outeau de

1

µ

m(bleu) etde 0,2

µ

m(vert). . . 184

10.21Mise en pla e de la mesure de la résolution d'une LZF sur l'installation

EQUINOX. . . 185

10.22Image de radiographie de la grille45/45 par la LZF (80 tirs umulés). . . 185

10.23(a)Exemplede oupehorizontaledelamesureprésentéesurlagure10.22;

(b) Dérivée de lagure 10.23a.. . . 186

10.24Image de radiographie de la grille10/40 par la LZF pour diérentes

posi-tions de la LZF. . . 187

10.25Bleu : spe tre expérimental d'Al obtenu sur une ampagne laser ELFIE

ave une intensité de l'ordre de 10

14

W. m -2

; vert : intégrale ourante du

spe tre. . . 188

10.26Comparaison de la rée tivité mesurée et de la rée tivité théorique du

MMCpériodique AXOà un angle d'attaquede 4. . . 189

10.27Simulationde la rée tivité du MMCpour plusieursangles diérents. . . 190

10.28(bleu)Spe treexpérimentald'une ibled'Alsur ELFIE; (rouge)Fon tion

de transfert al uléede FUHRI;(rouge pointillé)Fon tionde transfert de

FUHRI orrigéepar une onvolutionave une fon tion porte. . . 191

10.32Image obtenue lors d'un tir d'alignement sur de l'aluminium massif. La

zone de noir à gau he orrespond autube liantla améra à l'en einte. Le

ltre utiliséest omposé de 1,5

µ

m de Mylar et0,15

µ

md'aluminium. . . 194

10.33Imagedutirdelaradiographied'unegrilled'or(1500lpi),ave unesour e

X d'aluminiummassif,pour le al ul de la résolution de FUHRI. . . 196

10.34Coupede l'imagede lagrilleréaliséeparFUHRIprésentésur lagure10.33.196

10.35Dérivée de la oupe présentée sur lagure 10.34.. . . 196

10.36LMHhorizontale(bleu) etverti ale(vert) mesurée par FUHRIen fon tion

de l'énergielaser à1

ω

pour une même fo alisationdu fais eau laser pour

une ible de type IBL. . . 198

10.37LMHhorizontale(bleu) etverti ale(vert) mesurée par FUHRIen fon tion

de l'énergielaser à1

ω

pour une même fo alisationdu fais eau laser pour

une ible de type RMT. . . 199

10.38Image de la ta he fo ale lorsd'un tir. . . 199

10.39Comparaison des LMH (a) horizontales et (b) verti ales pour des ibles

IBLet RMTde CH/Al/CH . . . 200

10.40Comparaison des LMH (a) horizontales et (b) verti ales pour des ibles

IBLet RMTde CH/Ti/CH/Al/CH . . . 201

10.41S hémadu prin ipe de fon tionnement de FUHRIx2. . . 202

10.42Exemple de l'image d'un tirmesuré par FUHRIx2 pour une ible de type

IBLmixingCH/Al-Ti/CH à1,6 10

19

W. m

2

. . . 204

10.43Comparaisonentreun spe tre mesurélorsd'un tirsurune iblede typeA

(bleu)et lorsd'un tir sur une ible de type B (vert).. . . 205

10.44Comparaisondes LMH pour des ibles " lassiques" pour diérentes raies. 205

10.45Comparaisondes LMH pour des ibles RMT mixingpour diérentes raies. 206

11.1 S hémadu positionnementdes LZFpar rapportàla sour eet audéte teur.210

11.2 Géométriedesvoiesdemesures duDP1,lesLZFrempla erontlessténopés

situés dans l'axe entrale. Lesdistan es sont données en mm. . . 210

11.3 E a ité théoriqued'une LZF ave une épaisseur

e = 0, 88 µ

m d'Au. . . 211

11.4 Comparaisonentre unspe tredeTi(bleu),latransmissiond'un ltrede3

µ

mde Au(vert) etde 10

µ

mde Ti(rouge),l'e a ité de laLZFàl'ordre

0( yan) et1 (violet) etla sensibilitédu déte teur (jaune). . . 212

11.5 Comparaisonentre un spe tremesuré par ledéte teur de l'ordre0(bleu),

l'ordre1 (rouge)et l'ordre 0traversant le stop (noir). . . 212

11.6 Représentation s hématiquedes résultats obtenus lorsde tirs auLMJ. . . 213

11.7 Transmission de 3

µ

md'or. . . 213

3.1 Correspondan e entre les deux nomen latures du nombre quantique

prin- ipal. . . 40

3.2 Correspondan eentrelesdeuxnomen laturesdunombrequantiqueazimutal. 40

3.3 Correspondan e entre les diérentes nomen latures pour l'Al.. . . 41

3.4 Appellationdes diérentes raies de résonan e. . . 47

5.1 Cara téristiques du ristal de Braggtron onique. . . 77

6.1 Mesure de densité pour deux intensitédiérentes à 1 ns. . . 91

6.2 Résultatdel'estimationde lalongueurde gradientpour letirprésentésur

lagure 6.12. . . 93

6.3 Mesure de la densité éle tronique ave l'ombros opie pour le tir présenté

sur la gure6.12. . . 93

6.4 Mesuredeladensitéenfon tiondutempsetdelapositionpar

interféromé-trie pour une iblede KBr "dot300" etuneintensitélaser de 610 13

W· m

-2 .102

6.5 Paramètres en entrée de la simulationet déterminationde

L

pour t = 1ns.104

6.6 Densité al ulées. . . 104

9.1 Épaisseur optimaled'une LZF omposée d'Au oude Si. . . 157

10.1 Cara téristiques d'une LZF optimiséepour fon tionner à1850 eV (Al). . 170

10.2 Cara téristiques d'une LZF optimiséepour fon tionner à4700 eV (Ti). . 170

10.3 Mesure des tailles des signaux dire ts etfo alisés àBESSY II et SOLEIL. 173

10.6 Synthèsedes onditionsde mesuresetdesrésultatsave unpasde outeau

de 0,2

µ

m. . . 183

10.7 É art de résolution pour diérentes positionsp . . . 188

10.8 Comparaisons des résultats expérimentaux et des simulations pour la

ré-e tivitédu MMC. . . 189

10.9 Résumédes résultatsde al ulde larésolution. . . 197

10.10Résolutiondes diérentes ongurations. . . 203

CONTEXTE DE LA THÈSE

Pourquoi faire de la fusion nu léaire?

Suivant la ourbe explosive de l'évolution des nouvelles te hnologies, la demande en

énergie n'a fait que roître exponentiellement au ours des dernières dé ennies. Pour

répondre à e besoin, les enjeux é onomiques et é ologiques ont amenés à her her de

nouvellessolutionsquiseraientàlafoispérennesetquiproduiraientpeuoupasdedé hets

no ifs. C'estdans e ontexte que depuisplus de 60ans, lafusion nu léaire ontrléeest

étudiée. Elle propose une alternative attrayante aux énergies plus polluantes omme les

énergiesfossilesouissuedessionnu léairenotammentgrâ eàsonrendementimportant.

La fusion nu léaire est souvent présentée omme la s÷ur de la ssion nu léaire.

Elles utilisent toutes deux l'énergie de liaison des noyaux ave une énergie de liaison

par nu léon plus faible pour réer une forte libération d'énergie. Pour omprendre e

mé anisme, on peut tra er la ourbe de l'énergie de liaison par nu léons en fon tion

du nombre de masse A (gure 1.1). Les noyaux pour lesquels l'énergie né essaire pour

extraire un nu léon est élevée, 'est-à-dire eux qui sont pro hes du maximum de la

ourbe ave un A ompris dans l'intervalle [20 - 90℄, sont di ilement utilisables pour

des réa tions permettant de libérer de l'énergie. Au ontraire, les noyaux en dehors de

eslimitesontdesénergiesdeliaisonsplusfaiblesetontlepotentieldelibérerdel'énergie.

Lorsqu'un noyau lourd (A>190) se brise pour donner naissan e à deux noyaux plus

léger,l'énergiedeliaisonvaalorsaugmenter.Ils'agitdumé anismedession.Demanière

symétrique, lorsqu'on va assembler deux noyaux légers (A<20) pour donner naissan e à

un noyau plus lourd, l'énergie de liaison va aussi augmenter. Il s'agit du mé anisme de

fusion. Dans es deux as, il vail y avoir une importantelibérationd'énergie qui pourra

massedes parti ules le onstituant est supérieure àsamassetotale.On introduit alorsle

défaut de masse, noté

∆m

qui orrespond et é art.Si l'on onsidère alors un noyau

A Z

X

ave Zle numéro atomique,le défaut de masse s'é rit :

∆m = m

nuclons

− m

noyau

(1.1)

∆m = Zm

p

+ (A − Z)m

n

− m

noyau

(1.2)

ave

m

n

la masse d'un neutron et

m

p

la masse d'un proton.

∆m

est toujours positif.

Lorsque l'on va fusionner ou ssionner des noyaux, on va don réer respe tivement

un défaut ou un ex ès

2

de masse. Ce défaut ou ex ès va alors s'a ompagner d'un

dégagement d'énergie.

Figure 1.1  Energie de liaison par nu léons en MeV en fon tion du nombre de masse

A [1℄.

A tuellement, la réa tion de fusion sur laquelle reposent beau oup d'espoirs est

elle impliquant un noyau de deutérium et un noyau de tritium (équation 1.3), mais il

existe aussi d'autres réa tions envisagées omme elle entre deux noyaux de deutérium

(équation1.4).

2

1

D +

3

1

T →

4

2

He + n(14MeV );

(1.3)

2

1

D +

2

1

D →



₃

2

He + n(3.27MeV )

3

1

T + p(4.03MeV ).

(1.4)

La réa tion 1.3 produit un noyau d'hélium 4 et un neutron, elle dégage une énergie

de

E

f usion

= 14 MeV

. An de réaliser la fusion de es deux noyaux, on her he à leur

formule

E = mc

2

.

ommuniquerune énergie inétiquepermettantde vain relarépulsion oulombienne.La

fusionthermonu léaireest intéressante ar,aux températures qu'elle permetd'atteindre,

les se tions e a es de réa tion de fusion deviennent importantes. Elle permet de

plus de produire plus d'énergie, pour une masse égale de matière, que la ssion. Pour

pouvoir utiliser la fusion thermonu léaire omme sour e d'énergie, il est né essaire

qu'elle présente un bilan d'énergie positif. Cela revient à dire que la puissan e dégagée

par la réa tion doit être supérieure à la puissan e absorbée et dissipée dont la ause

prin ipaleestlerayonnement.A etten,deux ritèresprin ipauxpeuventêtreidentiés:

 Latempératurede Post

T

p

[2℄qui dénitla température minimum d'entretiende

la ombustion.Pour une réa tionD-T sa valeur est de :

T

p

≈ 4.3 keV

.

 Le ritère de Lawson [3℄ qui dé rit les onditions né essaires à l'entretien d'une

réa tionde fusion. Il setraduit par laformule :

n

e

τ

E

(k

B

T ) >

310 21

keV·s ·m -3

,

ave

n

e

la densité éle tronique,

τ

E

le temps de onnement du plasma,

k

B

la

onstantede Boltzmannet

T

la température.

Le ritère de Lawson ouvre la voie à deux stratégies de onnement possible du

plasmathermonu léaire:le onnementmagnétique (FCM) [4℄etle onnementinertiel

(FCI) [? ℄.

Les diérents s hémas de la fusion

Le onnement magnétique, historiquement la première voie àavoir été explorée [5℄,

utilise un hamp magnétique très intense qui va ontraindre le plasma à rester dans un

volume restreint. Dans e as, on va her her à avoir des temps de onnements longs

pour des densités relativement faibles. Les expérien es dans e domaine ont ommen é

dans les années 50 ave l'invention des tokamaks par I. Tamm et A. Sakharov [5℄. Ce

sont des instruments qui ont une stru ture toroïdale permettant de générer des hamps

magnétiques assez importants pour permettre le onnement d'un uide hargé peu

dense. Les re her hes dans le domaine de la FCM se poursuivent a tuellement ave le

projet international ITER [6℄ (International Thermonu lear Experimental Rea tor) à

Cadara he, unprototypede réa teuràtokamak. Unautretypederéa teur, lestellerator

[7℄, est aussi àl'étude.

Au ontraire, le onnement inertiel va her her à atteindre des densités très élevées

pendant des périodes très ourtes de l'ordre de la dizaine de pi ose ondes. On réalise

ela enimplosantune oquille- iblesphériquededeutérium-tritium(DT)àhaute vitesse

jusqu'à obtenir la ompression de la oquille et les onditions de température et de

(USA) ouleLaser MegaJoule(LMJ) àBordeaux (Fran e) peuvent espérer atteindre es

onditions.

Le prin ipegénéralde la FCIest présenté sur lagure 1.2et peut serésumer omme

suit :

 Unmi ro-ballon ontenantla iblere ouverte d'une ouplusieurs ou he de

maté-riauxablateurs est irradié par un laser. Ce dernier va pénétrer le plasma jusqu'à

atteindre une profondeur orrespondant à la densité ritique

n

c

du plasma pour

déposer laplus grosse partie de son énergiesur les éle trons.

 La oquille va alors être ablatée et on peut distinguer le front d'ablation qui est

l'endroitoù la matière en ore froide est hauée puis ablatée. Ensuite, l'ablation

va omprimerla oquillerestantepar eet fusée.

 Lastagnationestlerésultatdesdiérentsallers-retoursdesondesde ho .Lorsque

latempératuredépasselatempératuredePost,ilyaallumageàpartird'unpoint

haud, puis ombustion.

Figure1.2 Résumé du s héma de la ombustionpour laFCI

Il y a a tuellement deux types d'attaque à l'étude en FCI : l'attaque dire te et

l'attaque indire te.La prin ipale diéren eentre es deux attaques réside dans

l'initiali-sation de l'implosion, 'est-à-dire la manière d'irradier la ible, respe tivement à l'aide

d'un rayonnement X et à l'aided'un laser.

En attaque dire te, les lasers vont dire tement é lairer la ible. Au ontraire, en

attaque indire te, la apsule ible va être é lairée par un rayonnement X produit par

l'irradiation laser des parois d'une avité omposée d'un Z élevé, appelée hohlraum.

L'é lairement de la ible par les zones d'intera tion entre la avité et le laser va

permettre de réaliseren théorieune ompressionhomogène. Ce mé anismeest dé ritsur

lagure1.3. Cette dernière voieest onsidérée ommelaplus prometteusea tuellement.

C'est pourquoi, il est né essaire d'étudier les plasmas denses et hauds pour mieux

omprendre et dé rire le transport radiatif des zones d'intera tions que e soit sur le

hohlraum ou au niveau de la ible. À ette n, il est don indispensable de développer

Figure1.3 S héma de l'attaque indire te

Les intera tions laser-matière

OutrelaFCI, esexpérien es d'intera tionslaser-plasmapermettentaussid'alimenter

d'autres domaines omme par exemple l'astrophysique de laboratoire. En eet elles

permettent l'observation dire te et reprodu tible des phénomènes astrophysiques en

partant de l'hypothèse que les plasmas alors réés possèdent les mêmes propriétés que

leurs équivalents astrophysiques. Leplus grandavantage de ette appro he est lagrande

modularité des paramètres ontrlés in situ. Ils pourront don reproduire un grand

nombrede pro essus physiquesetpermettrontde valider ounondes modèlesthéoriques.

Dans un plasma, le transport d'énergie est ee tué grâ e à des photons, de la

ondu tion thermique éle tronique et de la onve tion. Dans ertaines situations

parti- ulières, le transport de parti ules hargées très énergétiques peut aussi jouer un rle.

La "transparen e" du plasma va alors déterminer "l'e a ité" du transport d'énergie.

En physique atomique on parlera plutt d'opa ité qui orrespond à l'inverse de la

"transparen e".

Il existe des modèles de la inétique atomique des plasmas rées en laboratoire

permettant de prédire l'émission X des éléments selon les onditions hydrodynamiques

de l'expérien e. Leur modélisation est ru iale pour omprendre et diagnostiquer les

propriétés radiatives de es milieux. Cependant, ela est très di ile à réaliser pour

les éléments ayant des valeurs de Z moyennes ou élevées. Il existe de nombreux odes

permettant de modéliser la physique atomique de tels plasmas. Une des familles de

ode utilisés est la famille des odes utilisant le dé ompte détaillé de raies (Detailed

Line A ounting, DLA) omme le ode HULLAC [8℄. Ces odes font parti des odes

les plus omplets, ependant, ela à un oût en temps de al ul qui est très élevé. Un

autre type de ode utilisé sont les odes statistiques qui utilisent la plupart du temps

la méthode de Monte-Carlo [9℄ pour al uler des valeurs numériques appro hés grâ e

à des pro édés aléatoires. Cela réduit grandement les temps de al uls au détriment

de la pré ision. Enn il y a les odes de simulations hybrides [10℄ dans lequel les ions

sont traités inétiquement alors que les éle trons sont assimilés à une uide sans masse.

hydrodynamiques du plasma émetteur, e qui ne permet pas d'utiliser es résultats

pour valider les prévisions des odes. Il y a don une forte demande de la part des

théori ienspourlaréalisationsd'expérien es danslesquelles leplasmaest ara térisé par

des diagnosti s indépendants de la spe tros opie X, ar e sont les seules expérien es

qui puissent permettre de démontrer la validité des modèles atomiques et légitimer les

approximations réaliséesdans les odes.

Pour réaliser ette omparaison entre théorie et expérien e, il est né essaire de

déterminer le plus pré isément possible les onditions hydrodynamiques du plasma. Il

est important d'avoir une grande abilité des mesures des diérents diagnosti s, Pour

ela il faut démultiplierleur nombre an de pouvoirles orréler entre eux. Seulement, il

faut aussi prendre en ompte les ontraintes physiques de telles expérien es et il n'est

parfois paspossibled'obtenir uneredondan edans lesmesures.On voitalors lané essité

de développer des diagnosti s polyvalents permettant la mesure et/ou la véri ation de

plusieursparamètres simultanément.

Il existeun outilquiest déjàtrèsrépandu quipermettraitd'apporteruneredondan e

ave la spe tros opie : 'est l'imagerie X de la zone émissive du plasma. En eet,

l'émission de rayonnement X d'un plasma dépend de sa température et don l'étude

de la taille de ette zone pour diérente longueur d'onde permettrait de remonter aux

onditions hydrodynamiques du plasma. Cependant pour mesurer es variations ave

pré isions, il est né essaire d'atteindre des résolutions spatiales inférieures à 5

µ

m.

Néanmoins, au un mi ros ope X a tuel ne permet d'atteindre à la fois lesperforman es

et la exibilité né essaires pour de telles expérien es. On voit don la né essité d'un

diagnosti d'imagerie X à haute résolution pouvant être utilisé dans les onditions

OBJECTIFS DE LA THÈSE

L'étude de l'émission X d'un plasma réé par intera tion laser est au oeur

de ette thèse. À partir de là, on peut dégager deux axes prin ipaux : l'étude

spe -tros opiqueetl'étudede lazoned'émissionde plasma rééeparintera tionlaser-matière.

En eet, avant d'arriver à l'étude de la fusion ontrlée en laboratoire, qui demande

l'utilisationdelaserde puissan eàtrèshauteintensité,ily adesétapespréparatoiresqui

ne peuvent être sautées. L'anage d'outils existants ou le développement de nouveaux

diagnosti s peuvent être réalisés sur des installationsplus modestes.

Dansun premiertemps, e quel'onvafaireau oursde l'étudespe tros opiqueest la

ara térisationde la manière laplus omplète possible des onditions hydrodynamiques

du plasma, prin ipalement la densité et la température. Dans un premier temps, on

va reproduire es résultats hydrodynamiques à l'aide de odes de simulations à 1 et 2

dimensions qui seront alors les entrées permettant d'alimenter les odes de inétique

atomique pour reproduire les spe tres d'émission théoriques. Nous nous appliquerons à

omparer es simulationsauxmesures expérimentales.

Dans la ontinuité d'une série d'expérien es pré édentes, une étude de l'émissionde

la ou he Ld'élémentsde Z moyen a étéréalisée. Ona hoisi d'ee tuer laspe tros opie

de l'émission de rayons X de plasmas Hors Équilibre Thermodynamique Lo al (HETL)

d'aluminium (Al,

Z

Al

= 13

), de bromure de potassium (KBr,

Z

K

= 19

,

Z

Br

= 35

) et

de arbone (C,

Z

C

= 6

). Ces expérien es ont été réalisées sur les installations laser

LULI2000 (LULI) pour le KBr, à une intensité omprise entre

10

13

et

10

14

W· m -2 , et

ELFIE(LULI), à une intensité ompriseentre

10

15

et

6 10

16

W· m -2 .

C'est pourquoi, dans un se ond temps, on va se fo aliser sur le développement, la

métrologie et l'utilisation d'un nouvel imageur X, mono hromatique, à haute résolution

utilisant des lentilles à zone de Fresnel (LZF), appelé Fresnel Ultra High Resolution

Imager (FUHRI).On présentera aussi son évolution etses améliorationspossibles.

Outre le développement d'un nouveau diagnosti plasma, on s'eor era plus

parti- ulièrement de montrer quelles sont les possibilités et les limites des LZF dans le adre

d'expérien es qui pourraient avoirlieu sur leLaser MegaJoule(LMJ).

Bien que la spe tros opie et le développement d'un imageur X à haute résolution

puissent sembler être deux domaines assez éloignés, ils sont pourtant essentiels l'un à

l'autre. La spe tros opie est toujours demandeuse de nouvelles apa ités de mesures et

les diagnosti s ne peuvent être développés ou améliorés sans les résultats obtenus dans

es expérien es.

On niraalorsen introduisant ommentvontfusionnerlesdeux axesprin ipauxpour

donner naissan e à une nouvelle manière de mesurer les onditions hydrodynamiques

étude spe tros opique de l'émission

d'un plasma Hors équilibre

Caméraà Balayage de Fente (ou CaméraStreak) CBF

ÉquipementLaser de Forte Intensitéet Énergie ELFIE

Équilibre Thermodynamique Lo al ETL

Fusionpar Connement Inertiel FCI

Frequen y Domain Interferometer FDI

HeavysidePhase Plate HPP

ImagingPlate IP

Laboratoired'Utilisation des Lasers Intenses LULI

Lawren e Livermore National Laboratory LLNL

MULTIgroup radiationtransport in MULTIlayer foil MULTI

Énergie(eV)

E

. Longueur d'onde(

µ

m)

λ

[

µ

m℄=

1,2398

E

[eV℄ . Fréquen e laser (s

−

1

)

ω

. Densité éle tronique (m

−

₃

)

n

e

Densité ionique (m

−

₃

)

n

i

Densité volumique (g· m

−

3

)

ρ

Températureéle tronique (eV)

T

e

Températureionique (eV)

T

i

Vitesse éle tronique (m·s

−

1

)

−

→

v

e

Vitesse ionique (m·s

−

₁

)

−

→

v

i

Numéroatomique Z Fréquen e de ollision(s

−

1

)

ν

ei

Logarithme oulombien

ln(Λ)

Constante de Boltzman(J·K

−

₁

)

k

B

=1,38 10

−

₂₃

Permittivitédu vide(A

2

·s

4

·kg

−

1

·m

−

3

)

ǫ

0

=8,85 10

−

12

Masse d'un l'éle tron (kg)

m

e

=9,110

−

₃₁

Charged'un l'éle tron (C)

e

=-1,6 10

−

₁₉

Vitesse thermique(m·s

−

₁

)

v

2

th

=

3

kB

Te

me

Fréquen e plasma (s

−

₁

)

ω

2

p

=

nee

2

ǫ0me

Longueur d'ondede De Broglie (

µ

m)

λ

DB

Longueur de Debye (

µ

m)

λ

D

=

vth

ωp

Taillelongitudinaledu plasma(

µ

m)

L

c

Tailletransversale du plasma(

µ

m)

L

t

Grandissement G Densité ritique ( m

−

₃

)

n

c

=

meǫ0

e

2

ω

p

delafusionpar onnementinertieloudel'astrophysiquede laboratoiresontdesplasmas

Hors-ETL. La modélisation de la inétique atomique de es plasmas est ru iale pour

omprendreetdiagnostiquerlespropriétésradiativesde esmilieux.Ilexistedenombreux

modèles atomiquespermettant le al ulde spe tres d'émissions des diérentséléments.

On va her her àréaliserdes expérien es dans lesquelles leplasmaest ara térisé par

des diagnosti s indépendants de la spe tros opie X, ar e sont les seules expérien es

qui puissent permettre de démontrer la validité des modèles atomiques et légitimer les

approximations réalisées dans les odes. La spe tros opie X est ouramment utilisée

omme diagnosti de la mesure de la densité éle tronique et de la température

éle tro-nique. Pour ela elleaaussi besoin de modèles ables.L'intérêt des expérien es que l'on

va réaliser est don double.

Le but de ette partie est l'analyse de spe tres d'émissions X pour des éléments de Z

moyen(KBr)etZléger(Al,C). Plusparti ulièrement,on her heà omparerlesmesures

expérimentales ave les al ulsthéoriques donnéspar des odes desimulationnumérique.

On va don présenter dans un premier temps la stratégie d'analyse que l'on a adopté,

ensuite on verra les diagnosti s mis en oeuvre lors des expérien es pour permettre les

simulations numériques. On terminera par présenter les résultats expérimentaux, leur

GÉNÉRALITÉS THÉORIQUES

Nous allons développer dans ette partie les généralités théoriques né essaires à la

ompréhension etl'analyse des partiessuivantes.

Lorsqu'unel'impulsionlaserestfo aliséesurune iblesolideave uneintensitélaserassez

élevée (

I

laser

> 10

10

W· m

−

2

), il va se réer un plasma qui va être la sour e d'émission

de rayons X qui sont l'objet de nos études. Nous allons présenter les bases théoriques

permettant une meilleure ompréhension de ette thèse.

Dansun premiertemps,nousallons rappeler lathéoriede lastru ture atomiqueainsi

que la nomen lature asso iée à ette dernière. Cela nous permettra d'introduire les

mo-dèles d'équilibre statistique du plasma. Nousterminerons par présenter la spe tros opie

de plasma de ou he K etL.

Cette partiesert de rappelde es notions théoriques déjà bien onnues.

3.1 Conguration éle tronique

Dans ette partie, nous allons brièvement rappeler quelques élémentsbasilaires de la

mé aniquequantiqueetillustrerlesdiérentesnotationsutiliséesenspe tros opieparfois

un peu "obs ures" pour les non-spé ialistes.

Le modèle atomique de Bohr suppose que les éle trons ne peuvent se "trouver"

que sur ertaines orbites autour du noyau. Cela implique que seules ertaines énergies

sont a essibles. On indique

n

le nombre quantique prin ipal (

n ∈ N

∗

) qui désigne

les états d'énergie a essibles aux éle trons. Il ara térise une ou he

éle tro-nique. On utilise souvent des lettres pour nommer les ou hes, ainsi pour la ou he

n

=1onutiliselalettreK,pourla ou he

n

=2,lalettreLetainsidesuite(tableau3.1).

fermée.Autrementonparlede ou he ouverte.Chaque ou he possède

n

sous- ou hes

désignéesparlenombrequantiqueazimutal

l

(

l ∈

J

0, n −1

K).Aumaximum,ilya

2(l + 1)

éle trons dans une sous- ou he. On utilise aussi leslettres

s

,

p

,

d

,

f

1

pour les nommer;

on présente la orrespondan e dans le tableau 3.2. Le ritère de dis rimination est la

vitesse à laquelle l'éle tron tourne autour du noyau. Pour dé rire les orbitales dans les

sous- ou hes, onutilise le nombre quantiquemagnétique

m

(

m ∈

J

−l, +l

K).

Le remplissage des sous- ou hes par des éle trons est soumis à trois règles : elle de

Kle hkowski, de Hund etle prin iped'ex lusion de Pauli.

n

1 2 3 ...

K L M ...

Table 3.1  Correspondan e entre les deux nomen latures du nombre quantique

prin i-pal.

l

0 1 2 3 ...

s

p

d

f

...

Table 3.2Correspondan e entre les deux nomen latures du nombre quantique

azimu-tal.

Pour dé rire la onguration éle tronique (

C

) d'un atome ou d'un ion ave

N

éle -trons, on utilise le nombre quantique prin ipal de la ou he (

n

= 1, 2 ...) et le nombre

quantiqueazimutal pourlasous- ou he (

l = s

,

p

,...)en indiquanten exposantlenombre

d'éle trons

e

i

pour haque ouple (

n

i

,

l

i

). On peut résumer ette nomen laturepar :

C = (n

1

l

1

)

e1

(n

2

l

2

)

e2

(n

3

l

3

)

e3

...

(3.1) ave

P

i

e

i

= N

. On appelle alors état fondamental d'un atome ou d'un ion la

onguration éle tronique dans laquelle les éle trons o upent les orbitales d'énergies

les plus basses. Dans le as ontraire, la onguration est dite ex itée. Par exemple la

onguration éle tronique d'un atome d'hélium (He) est

1s

2

et elle d'un atome de de

arbone (C) est

1s

2

_2s

2

_p

2

souvent abrégée en

[He]2s

2

_2p

2

.

Enn, on dénit la limite d'ionisation omme l'énergie limite au-delà de laquelle

on onsidère qu'un éle tron a été arra hé à une distan e innie de l'atome [11℄ et se

trouve don dans le ontinuum.

Pour désigner les ions, on a hoisi d'utiliser une terminologie fréquente dans le

do-maine de laspe tros opie moderne. Pour un ion possédant

m

éle trons (

m

=1, 2,3 ...),

nous utiliseronsle nomde l'élémentpériodique ave lemêmenombre d'éle trons etnous

lui rajouterons le suxe "-oïde". Par exemple, un ion ave

m

= 1 éle tron sera appelé

1. Cettenotationprovientdestermesanglais:sharp(

s

),prin ipal(

p

),diuse(

d

)etfundamental (

f

).

ionhydrogenoïde,unionave

m

=2éle tronsseraappeléionhéliumoïde etainsidesuite.

Cette terminologie n'est pas la seule à être utilisée. Une autre désignation ourante

est d'utiliser les hires romains après le nom de l'élément pour désigner son ionisation

en ommençantpar le"I" pour l'atomeneutre. Ainsipour un élément

X

de numéro

ato-mique

Z

,XII orrespondraàl'ionX

Z−1

,XIII orrespondraàl'ionX

Z−2

etainsidesuite.

On a résumé la orrespondan e entre lesdiérentes notations dans le tableau 3.3en

prenant l'aluminium omme exemple.

Al Al

+1

X

+2

X

+3

... X

+11

X

+12

Al Magnésiumoïde Soduimoïde Néonoïde ... Heliumoïde Hydrogénoïde

Al I Al II Al III Al IV ... Al XII Al XIII

Table3.3 Correspondan e entre lesdiérentes nomen latures pour l'Al.

3.2 Les modèles d'équilibre statistique

Il s'agit i i de onnaitre la distribution des éle trons liés sur l'ensemble des niveaux

atomiques possibles

N

(z)

i

ave

z

l'espè e ionique et

i

un niveau parti ulier. Pour ela on

doit élaborer un modèle atomique du plasma. Selon les systèmes que l'on onsidère es

modèles peuvent être plus oumoins omplexes.

Plusieurs pro essus mi ros opiques ontribuent au peuplement et au dépeuplement

de la population d'éle trons suivant les niveaux fondamentaux et ex ités des diérents

étatsde harge.Eneetleséle trons, ionsetphotons onstituantleplasmainteragissent

à travers leur hamp éle tromagnétique par des transferts d'énergie d'une parti ule

à l'autre. Les intera tions qui vont nous intéresser sont elles faisant interagir un ion

ave un éle tron ou un photon ar elles ont pour onséquen e de modier soit l'état

d'ionisation oul'état d'ex itation de et ion.

Lorsqu'il n'y a pas de hamp radiatifambiant, il y a 8 pro essus radiatifs

prépondé-rants[12℄ :

 ladésex itation radiative(émissionspontanée),

 l'ex itation ollisionnelleet ladésex itation ollisionnelle,