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Submitted on 1 Jan 1975
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État d’ionisation d’un plasma de haute densité chauffé au moyen d’un laser à CO2
C. Popovics
To cite this version:
C. Popovics. État d’ionisation d’un plasma de haute densité chauffé au moyen d’un laser à CO2. Jour-
nal de Physique, 1975, 36 (11), pp.1089-1094. �10.1051/jphys:0197500360110108900�. �jpa-00208353�
ÉTAT D’IONISATION D’UN PLASMA DE HAUTE DENSITÉ CHAUFFÉ
AU MOYEN D’UN LASER A CO2
C. POPOVICS
Laboratoire P.M.I., Ecole Polytechnique Groupe de recherche du C.N.R.S., Route de Saclay, Palaiseau, France
(Reçu le 3 mars 1975, révisé le 26 mai 1975, accepté le 19 juin 1975)
Résumé.
2014Nous étudions l’applicabilité d’un diagnostic spectroscopique fondé sur les mesures
de rapports d’intensité de raies spectrales dans le cas d’un plasma de haute densité, soumis à un chauf- fage rapide au moyen d’un laser à CO2. Nous déterminons les populations ioniques du plasma dans
un modèle transitoire que nous utilisons pour calculer la température électronique à partir des
mesures expérimentales. Nous mettons en évidence une augmentation de la température électronique
du plasma due à l’absorption de l’énergie du laser à CO2.
Abstract.
2014We have investigated the method of line intensity ratios method for the spectroscopic
measurement of electronic temperature in the case of fast heating of a high density plasma by a CO2
laser. The populations of ionic species of the plasma are determined by a transient model which we use to calculate the electronic temperature from the experimental data. We give évidence of an
increase in the electronic temperature of the plasma due to absorption of CO2 laser energy.
Classification Physics Abstracts
6.550
-6.570
1. Introduction.
-Le chauffage d’un plasma dense
par absorption d’une onde laser a déjà suscité de nombreux travaux. Dans le cas où l’absorption
s’effectue suivant le mécanisme de Bremsstrahlung
inverse [1], plusieurs auteurs ont montré qu’une augmentation de la température électronique accom-
pagne l’absorption du faisceau laser j2, 3].
Dans l’expérience présente, nous mettons en oeuvre
un diagnostic spectroscopique fondé sur les rapports d’intensité de raies spectrales pour étudier la variation de température liée au dépôt de l’énergie d’un laser
à CO2 dans un plasma très dense. La densité de ce
plasma (ne
=5 à 9 x 10111 CM-3 ) est très proche de
la densité de coupure du laser à CO2 de façon à
favoriser l’absorption du faisceau, et l’intensité du laser est assez faible ( 101 ° W/cm2) pour que le mécanisme d’absorption soit le bremsstrahlung
inverse. La durée de l’absorption du laser est limitée
par le temps de passage d’une particule dans la
tache focale du laser à CO2, soit 4 ns. La rapidité
de ce chauffage, ainsi que les conditions de densité et température ne permettent pas de décrire l’évolution des populations ioniques du plasma à l’aide des modèles classiques d’équilibre thermodynamique local
ou coronal.
Nous avons donc étudié un modèle transitoire d’évolution des populations qui permet de mesurer la température électronique du plasma. Les densités
ioniques sont décrites par un modèle analogue au
modèle coronal de transition [4] dans lequel nous
tenons compte à la fois des recombinaisons triple et
radiative.
Nous décrirons en premier lieu l’expérience et les
résultats qualitatifs que nous avons obtenus. Dans la deuxième partie sont décrits les mesures de tempéra-
ture ainsi que les modèles d’évolution des populations
utilisés pour ces mesures.
2. Mesures expérimentales.
-2. 1 DISPOSITIF EXPÉ-
RIMENTAL (Fig. 1).
-Le plasma est créé par irradia- tion d’une feuille de polyéthylène par un laser à rubis
FIG. 1.
-Schéma du montage expérimental.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:0197500360110108900
1090
de 250 MW de puissance crête, et confiné dans un champ magnétique uniforme de 6,5 Teslas. Le plasma
cible ainsi obtenu se présente sous la forme d’un cylindre de 2 mm de diamètre, de génératrice parallèle
aux lignes de champ, composé essentiellement d’ions
C", C4+ et H+. La durée de vie du plasma est
déterminée par la fuite le long des lignes de champ à
une vitesse d’environ 1,5 x 10’ cm/s. Dans la zone
d’observation (environ 5 mm de la cible), le plasma
reste très dense pendant une durée de l’ordre de 50 ns. La densité électronique sur l’axe, mesurée par interférométrie [5] est comprise entre 5 et
9 x 1018 cm - 3. Quelques centaines de nanosecondes
plus tard, on observe un plasma beaucoup moins
chaud et moins dense.
Un laser à CO2 à double décharge (Lumonics 103)
d’une puissance crête de 40 MW environ, est focalisé perpendiculairement à l’axe du plasma, avec une
lentille de NaCI de 70 mm de longueur focale, à une
distance de la cible solide de 3 à 5 mm.
Le flux incident maximal atteint est compris entre
2 et 4 x 101° W/cm2. Dans nos expériences, le flux
est compris entre 109 et 1011 W/cm2’
Les mesures spectroscopiques s’effectuent dans le
domaine visible et ultraviolet proche, au moyen d’un monochromateur à réseau du type Ebert- Fastie. Le signal optique est détecté par un photo- multiplicateur et analysé à l’aide d’un oscilloscope.
La résolution temporelle du système est définie
par le temps de montée des appareils (environ 5 ns).
Sa résolution spatiale est obtenue à l’aide d’une fente de 1 mm de large, perpendiculaire à la fente
d’entrée du monochromateur (largeur 0,2 mm).
L’observation est ainsi intégrée uniquement sur la
direction d’observation, suivant un diamètre du plasma. Les profils spectraux sont tracés coup par coup.
2. 2 MISE EN ÉVIDENCE QUALITATIVE DU CHAUFFAGE.
-
La résolution spatiale et temporelle de notre sys- tème ne nous permettant pas de suivre le plasma au
cours du chauffage, nous avons comparé le rayonne- ment émis par un élément de volume avec et sans le
chauffage additionnel dû à l’absorption du faisceau du laser à C02.
Nos expériences montrent le caractère transitoire du plasma : nous avons observé que les modifications apportées aux raies émises sont plus importantes en
aval de la zone chauffée qu’au point de focalisation du laser à CO2. Ainsi, les populations évoluent peu dans la région chauffée mais relaxent vers l’équilibre
en aval du point de focalisation, la température
restant relativement élevée du fait de la conduction
thermique.
.
La figure 2 montre clairement la modification
apportée à l’émission de la raie CIV 5 801 A par l’absorption du faisceau du laser à CO2. Dans la phase dense du plasma (plasma I), cette raie diminue
d’intensité ; plus tard (plasma II), l’apparition de
cette raie est retardée. La coïncidence temporelle
du maximum d’émission de la raie CIII 5 696 Á, en
l’absence de chauffage, et de la raie CIV 5 801 À
avec chauffage, montre que le plasma s’est ionisé.
Bien que le plasma II ne soit chauffé que par la queue de l’impulsion, l’ionisation apparaît plus nettement
que sur le plasma 1 : d’une part, la densité du plasma 1
étant élevée, les raies sont élargies par effet Stark et leur modification, à longueur d’onde fixée, est peu
importante. D’autre part, le plasma II est initialement moins ionisé et l’énergie nécessaire pour le passage
C2+ -+- C3+ est beaucoup moins importante que pour le passage C3+ -+- C4+.
FIG. 2.
-Oscillogrammes de la lumière émise par le plasma à 4,5
mmde la cible.
L’ionisation de la phase dense du plasma est mise
en évidence par l’étude de la raie CIV 5 801 A (Fig. 2
et 3a), et aussi par l’étude des raies CV 4 945 A,
CIII 5 696 A et CVI. La raie CIII n’apparaît pas et la raie CV n’est pas modifiée (Fig. 3b). Aucune raie de
FIG. 3.
-Profil des raies émises à 4,5
mmde la cible : a : Raie
CIV 5 801 Â, b : Raie CV 4 945 Â.
l’ion CVI n’a pu être mise en évidence. Comme l’exci- tation du niveau fondamental de l’ion C4+ demande
beaucoup d’énergie (environ 300 eV), ces observa-
tions laissent penser que les ions C3 + sont ionisés
jusqu’à un niveau inférieur au niveau n
=7 de
l’ion C4+. L’étude qualitative des figures 2 et 3 montre
donc l’ionisation du plasma au cours du dépôt de l’énergie du laser à CO 2
°
Nous avons également remarqué que le continuum varie très peu dans le domaine visible et proche ultra-
violet. Ceci est en accord avec la dépendance théorique
du continuum dû au rayonnement de freinage et à
la recombinaison radiative.
3. Mesures de température. - 3.1 PRINCIPE DES MESURES.
-Nous avons effectué des mesures de
température à partir des rapports d’intensité des raies
spectrales CIV 5 801 À (transition 3p -+ 3s de l’ion
C3+), et CV 4 945 A (transition 7 --> 6 de l’ion C4+).
En supposant que les niveaux supérieurs de deux
transitions correspondant à deux ions successifs sont
en équilibre thermodynamique local avec le niveau
fondamental de l’ion supérieur, les équations de
Saha et Boltzmann permettent de relier le rapport d’intensité de ces deux raies à la température électro- nique et aux densités ioniques :
où fs7+, Â:¡+ sont la force d’oscillateur et la longueur
d’onde de la transition s
--+i de l’ion C’+
E j n +
,gc + et lVj n+ sont l’énergie, la dégénérescence
et la population du niveau j de l’ion Cn+ ;
un+ est la fonction de partition de l’ion Cn+ ;
L’indice f se rapporte au niveau fondamental de l’ion.
Numériquement, pour les raies CV 4 945 Á et CIV 5 801 Á, la relation s’écrit :
En décrivant l’évolution des populations du plasma
par un modèle, on relie les rapports Nf,+/Nf + et
Iv/IIV à la température et à la densité électroniques ;
on peut alors déduire la température électronique
du plasma des mesures de rapports d’intensité de raies, à l’aide de courbes Iv/llv
=f (T,,), la densité électronique étant prise pour paramètre.
3.2 VALIDITÉ DES MODÈLES.
-Les résultats de
travaux antérieurs [5, 6] permettent de choisir le modèle qui décrit le mieux l’évolution des populations
du plasma. Les caractéristiques de la phase dense du plasma non chauffé sont les suivantes : la densité
électronique sur l’axe du plasma est de 5 à
9 x 1011 cm- 3, et la température moyenne le long
de l’axe du plasma est de 9 + 2 eV, déterminée en
supposant que l’ETL est réalisé [5]. D’autre part, l’étude théorique du chauffage par bremsstrahlung
inverse [6] prévoit une augmentation de la tempéra-
ture électronique de 10 à 100 eV en 4 ns pour un flux incident du laser à CO2 de 1010 W/cm2.
En fonction de ces données, le choix d’un modèle
dépend essentiellement de trois conditions : l’homo-
généité, la stationnarité du plasma sont-elles réalisées,
et quels processus atomiques sont prédominants ? Compte tenu des profils de densité obtenus par interférométrie [5] l’hypothèse d’homogénéité est
bien vérifiée le long de l’axe du plasma, et l’est moins bien sur la section du plasma. Nous supposons
cependant que la densité du plasma est uniforme;
l’observation spectroscopique étant effectuée le long
d’un diamètre de la colonne de plasma, nous avons
pu compenser en partie les défauts d’homogénéité
en utilisant, pour la détermination de température,
une valeur moyenne de la densité, mesurée à partir
de l’élargissement Stark des profils de raies spectrales.
Nous avons d’autre part fait varier le paramètre
densité dans l’étude des modèles pour déterminer
l’importance de son influence. La conduction ther-
mique est suffisante pour que la température du plasma soit uniforme dans le volume irradié par le faisceau du laser à CO2 ; nous pourrons donc supposer le plasma uniforme tant en densité qu’en température.
Le chauffage du plasma étant rapide, nous devons
comparer la durée du chauffage et le temps caractéris-
tique des échanges interatomiques pour établir le caractère transitoire ou stationnaire du modèle à utiliser. Le critère de stationnarité de Griem [7, for-
mule (6.65)] peut être appliqué ici car la photoionisa-
tion est négligeable [8] : pour kTe
=100 eV et
ne
=1019 cm- 3, le temps caractéristique des varia-
tions des populations est de 3,2 ns. En conséquence,
l’évolution des populations pendant le chauffage
doit être décrite par un modèle transitoire. Le modèle utilisé dépend des processus atomiques prépondé-
rants dans les conditions de densité et température
réalisées ici. Les données de Zeldovich-Raizer [9]
montrent que, au cours du chauffage, les deux méca-
nismes de recombinaison radiative et triple doivent
être pris en compte. La recombinaison diélectronique joue un rôle très limité dans un plasma aussi dense que celui que nous étudions [14].
L’ionisation s’effectue par des processus collision- nels essentiellement, car le plasma est optiquement mince, sauf pour les raies de recombinaison [8].
Tenant compte du fait que les temps de relaxation des niveaux excités des ions sont généralement plus
courts que les temps de relaxation des niveaux fonda- mentaux, nous avons négligé dans un premier temps les populations des niveaux excités des ions. Nous supposons également que tous les niveaux excités
sont en ETL avec l’ion supérieur [7]. Ceci conduit à décrire un modèle homogène, transitoire analogue au
modèle coronal transitoire [4], tenant compte de la
recombinaison triple.
1092
Nous avons comparé ce modèle à l’équilibre tenant compte des mêmes processus, ainsi qu’à l’ETL.
Ces comparaisons permettent d’évaluer l’erreur commise en négligeant lanon-stationnarité du plasma.
3 . 3 MODÈLE TRANSITOIRE.
-Les électrons sont en
équilibre de Maxwell entre eux [10] et subissent une augmentation de température supposée linéaire, de
10 à 100 eV en 4 ns. Les mesures antérieures [5] ont permis de fixer une densité électronique initiale de 1 O 19 ou 1018 cm-3. Les densités ioniques et la densité électronique sont liées par l’équation de neutralité
électrique. Le plasma étant supposé homogène, l’évo-
lution des populations ioniques du plasma est décrite
par un système d’équations différentielles couplées
par les mécanismes d’ionisation et de recombinaison.
La figure 4 indique les processus dont nous avons
tenu compte. Ayant peu de données sur les sections efficaces de ces mécanismes, nous avons utilisé des
approximations strictement valables pour des ions
hydrogénoïdes, en introduisant éventuellement, un
facteur correctif : les taux d’ionisation sont calculés à partir du coefficient h de la référence [11], modifiés
en fonction du nombre d’électrons optiques de l’ion.
Les coefficients de recombinaison triple en sont
déduits par la relation de microreversibilité, en utilisant la relation de Saha.
Les données de la référence [8] ont permis de
montrer que le plasma est optiquement mince pour la
photoionisation. Les coefficients de recombinaison radiative sont calculés à partir du coefficient bv
de Zeldovitch et Raizer [9]. La condition I/kTe > 1
nécessaire pour utiliser ce coefficient n’est pas réalisée à haute température pour les ions C2 + et C3 + dont tient compte le modèle. Cependant, les populations
de ces ions diminuent suffisamment au cours du
chauffage pour que la précision sur ces coefficients ait peu d’importance.
Le système d’équations couplées s’écrit :
FIG. 4. - Processus atomiques pris
encompte dans le modèle transitoire et l’ERC.
où
.Ne est la densité électronique Ni est la densité de l’ion C" +
Te est la température électronique à l’instant t
T,, 0est la température électronique à l’instant 0 Ri est le coefficient de recombinaison triple de
Ci+ à C(i-1)+
RRi est le coefficient de recombinaison radiative de Ci+ à C(i-l)+
Si est le coefficient d’ionisation collisionnelle de Ci+ à C(i+1)+.
Ce système a été résolu numériquement sur ordina-
teur UNIVAC 1108 par la méthode de Runge-Kutta ;
les résultats sont tracés sur les figures 5 et 8.
FIG. 5.
-Densités de population des ions de carbone : - ERC ;
- -
modèle transitoire (Neo
=1019 cm -3).
Nous avons mis en oeuvre ce modèle, dans une première approche, bien qu’il soit trop simple pour décrire l’évolution réelle des populations du plasma.
En effet, d’une part, les ions peuvent avoir des niveaux métastables beaucoup plus peuplés que ne le prévoit
le modèle d’équilibre thermodynamique local (ETL),
FIG. 6. - Densités de population des ions de carbone :
-ERC ; - - - ETL (Ne
=1019 cm-3).
FIG. 7.
-Densités de population des ions de carbone : modèle transitoire tenant compte des niveaux excités des ions
(lVeo
=1019 Cm-3).
et d’autre part, les critères d’ETL partiel [7] montrent
que les conditions de température et densité ne permettent pas d’établir l’ETL entre les niveaux de nombre quantique faible (n ;$ 4) et l’ion supérieur.
Des travaux sont en cours pour développer un
modèle numérique qui prend en considération les niveaux excités les moins élevés des ions. Des calculs
préliminaires tenant compte de ces niveaux nous ont
FIG. 8. - Rapports d’intensité des raies CV 4 945 A et CIV 5 801 A : A : ETL, B : ERC, C : modèle transitoire. Indice 1 :
-
ne =,1018 cm-3, indice 2 : ne =1019 cm-3.
montré que leur influence est importante (Fig. 7).
Nous pouvons remarquer que la population du
niveau C4+ 2 ’P est très importante par rapport aux
autres. Cependant, elle est reliée à celle du niveau 2 3S par la loi de Boltzmann [13], et ces deux niveaux sont très peuplés par rapport au niveau fondamental
car ils sont métastables.
On peut vérifier sur ces figures que le caractère transitoire du plasma se traduit effectivement par
un retard à l’ionisation qui modifie les mesures de
température de façon notable.
3.4 MODÈLES STATIONNAIRES.
-Le modèle sta- tionnaire tenant compte des mêmes processus que le modèle transitoire décrit ci-dessus s’obtient en annu-
lant le premier membre des équations différentielles
(modèle d’équilibre radiativo-collisionnel ou ERC).
Les populations dans l’hypothèse de l’ETL sont
obtenues à partir de l’équation de Saha. Nous utilisons
les valeurs d’abaissement de l’énergie d’ionisation calculées à partir de la théorie de Debye-Hückel [12].
Les fonctions de partition ont été remplacées par le
premier terme de la série ui gn e - E-Ik T- Cette
n=1 i
approximation introduit une erreur sur la tempé-
rature mesurée du même ordre ou inférieure aux
incertitudes expérimentales. Nous avons représenté
sur les figures 5 et 6 les résultats de ces deux équi-
libres, comparés au modèle transitoire, et sur la
1094
figure 8 la courbe log IIIV en fonction de Te pour
ces deux modèles.
3.5 MESURES DE TEMPÉRATURE.
-Les mesures, bien que rendues difficiles par un élargissement
Stark très important et par les problèmes de repro- ductibilité des tirs liés à la méthode de tracé des
profils spectraux coup par coup, ont permis d’obtenir
les résultats suivants :
-
Les mesures sans chauffage ont été interprétées
à l’aide des modèles stationnaires, pour déterminer les conditions initiales de l’évolution du plasma.
Dans la phase dense du plasma, 37 ns après la forma-
tion du plasma, la densité mesurée à partir de l’élargis-
sement Stark est de 1,5 x 1018 cm-3 avec une
incertitude d’un facteur 2 liée à la théorie de l’effet
Stark ; la température électronique est de :
-