L'INFLUENCE DE L'ABSORPTION SUR LES MESURES DE DENSITÉ ÉLECTRONIQUE PAR INTERFÉROMÉTRIE LASER DANS UN PLASMA DENSE

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L’INFLUENCE DE L’ABSORPTION SUR LES

MESURES DE DENSITÉ ÉLECTRONIQUE PAR

INTERFÉROMÉTRIE LASER DANS UN PLASMA

DENSE

M. Popovic, D. Djordjevic

To cite this version:

JOURNAL DE PHYSIQUE Colloque Cl, supplément au n° 5, Tome 39, Mai 1978, page Cl-211

L'INFLUENCE DE L'ABSORPTION

SUR LES MESURES DE DENSITÉ ÉLECTRONIQUE

PAR INTERFÉROMÉTRIE LASER DANS UN PLASMA DENSE

M. M. POPOVIC et D. DJORDJEVIC

Institute of Physics — Beograd, Studentski Trg 12/V, 11001 Beograd, Yugoslavia

Résumé. — Le coefficient d'absorption d'une décharge puisée quasi-stationnaire dans le xénon à 632,8 nm est déterminé expérimentalement et comparé aux résultats théoriques.

Abstract. — The absorption coefficient of quasi-stationary pulsed discharge in xenon at 632.8 nm

was determined experimentally and compared with available theories.

1. Introduction. — La connaissance précise des distributions spatiale et temporelle des composants d'un plasma («e, na, nj est nécessaire pour la

déter-mination des coefficients de transport. Cependant, dans le cas des plasmas à forte densité électronique, les diagnostics spectroscopiques peuvent être peu précis du fait de la mauvaise connaissance des valeurs du continuum et des paramètres d'élargissement de raies. De ce fait, récemment, la détermination des densités à l'aide de l'interférométrie laser (mesure des variations de l'indice de réfraction utilisant un interféromètre Mach Zender ou à 3 miroirs) a été développée dans de nombreux laboratoires. S'appuyant sur les prédictions théoriques dans le cas d'un plasma dense, on peut s'attendre à une absorption non négligeable du rayonnement laser utilisé pour le diagnostic ce qui peut introduire une erreur systéma-tique dans la mesure de l'indice de réfraction. Le but de notre travail a été de vérifier expérimentalement l'influence de l'absorption sur la mesure des densités. Pour cela nous avons mesuré l'absorption de la raie 632,8 nm d'un laser He-Ne, dans un plasma de xénon pour différentes conditions de décharge.

2. Le coefficient d'absorption et sa détermination. — L'absorption du rayonnement continu dans un plasma est due d'une part à la photoionisation des atomes et des ions et d'autre part au processus inverse du rayonnement de freinage (Bremsstrahlung) des électrons dans le champ des ions. D'après la théorie de Biberman [1], combinant les contributions de tous ces processus, le coefficient d'absorption résultant peut s'écrire :

n2

k(v, T) = 4,3 --È= exp[(/i Av - e AI)/kT] x y/kT

x Z2« v ) e " "rv -3 (1)

h Àv représente le déplacement de la limite d'une

série dû au fait que les raies se confondent avec le continuum et e AI est l'abaissement du potentiel d'ionisation. Ces deux termes dépendent des para-mètres du plasma. Le caractère non hydrogénique du coefficient d'absorption est contenu dans le facteur

t

L'absorption par le xénon à 632,8 nm a été mesurée dans une décharge puisée quasi-stationnaire stabilisée par parois. Les conditions de fonctionnement, les diagnostics et les paramètres de cette décharge ont déjà été décrits [2]. Utilisant les facteurs de Biber-man [1] (indépendants des paramètres de plasma) et de Schlûter [3] (lentement variables avec la tempé-rature) à 632,8 nm, pour nos conditions expérimen-tales, on peut s'attendre aux valeurs suivantes du coefficient d'absorption (Tabl. I). Ces évaluations

TABLEAU I

Coefficients d'absorption théoriques

2

-^z x 1(T3 2 2,29 3,90 6,40 9,15 12,4 15,7

Wrman 0,083 0,11 0,22 0,27 0,35 0,44 animer 0,069 °>°92 0,18 0,23 0,29 0,37

théoriques nous indiquent qu'un tel plasma n'est pas optiquement mince. Du fait de l'atténuation non négligeable du faisceau dans le bras de l'inter-féromètre (interl'inter-féromètre Mach Zender par exemple) les intensités des faisceaux interférants ne sont pas compensées ce qui entraîne une perte difficilement prévisible du nombre de franges mesurées. Afin de vérifier cette estimation expérimentalement, le coeffi-cient d'absorption du plasma a été déterminé en

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mesurant Ia transmission du rayonnement laser à TABLEAU II travers le plasma. La transmission T est reliée à

l'absorption du plasma de la façon suivante : Coejîcients d'absorption expérimentaux

a uo(kv) 0'85 1,05 1'26 1'48 1,70 1,90

T = J/Jo = exp(-

{

.

O (2) k(cm- l) 0,11 0,14 0,26 0,30 0,36 0,39

Une condition suffisante pour l'application de l'équation (2) dans la détermination du coefficient d'absorption est que I'émissivité du laser soit beau- coup plus grande que l'émissivité du plasma. Cette condition a été vérifiée et nous avons trouvé que l'émissivité du laser était toujours au moins un ordre de grandeur plus grande que celle du plasma. Des mesures radiales du coefficient d'absorption au centre 'ont été faites pour six différentes tensions du banc de condensateurs (0,85-1,9 kV). Un système de détection électro-optique nous a permis de résoudre en temps les mesures du coefficient d'absorption.

3. Résultats et discussion. - Les valeurs du coeffi- cient d'absorption moyen correspondant au plateau de l'impulsion de courant sont représentées (Tabl. II).

Comme on peut le remarquer d'une part à l'aide des résultats expérimentaux, d'autre part d'après les considérations théoriques, les conditions expérimen- tales pour la détermination de l'indice de réfraction sont considérablement perturbées par l'absorption fluctuant avec le temps, le chemin optique à travers le plasma doit être le plus court possible et l'on doit utiliser la méthode de Weiss et Teuber [4] (deux signaux d'interférence déplacés de n/2) ce qui permet de mesurer les fractions de frange. Cependant, lorsqu'il est impossible d'éliminer l'influence de l'absorption on peut utiliser la méthode du diagramme polaire 151 pour la mesure de phase d u signal d'interférence ce qui élimine automatiquement les modulations d'am- plitude dues à l'absorption.

Bibliographie

[l] BIBERMAN, L. M., NORMAN, G. E., SOV. Phys.-Usp. 10

(1967) 52.

[2] POPOVIC, M. M., Dissertation, Beograd (1972). [3] SCHLUTER, D., Z. Phys. 210 (1968) 80.

[4] WEISS, C. O., TEUBER, K., Opt. commun. 16 (1976) 339. [5] DJORDJEVIC, D., GUENTHER, K., RADTKE, R., ULBRICHT. R.,