MESURE DE LA TEMPERATURE IONIQUE DU PLASMA FOCUS PAR DIFFUSION THOMSON VERS L'AVANT

(1)

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Submitted on 1 Jan 1971

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MESURE DE LA TEMPERATURE IONIQUE DU PLASMA FOCUS PAR DIFFUSION THOMSON

VERS L’AVANT

A. Bernard, A. Coudeville, A. Jolas, J. de Mascureau, J. Watteau

To cite this version:

A. Bernard, A. Coudeville, A. Jolas, J. de Mascureau, J. Watteau. MESURE DE LA TEMPERA-

TURE IONIQUE DU PLASMA FOCUS PAR DIFFUSION THOMSON VERS L’AVANT. Journal de

Physique Colloques, 1971, 32 (C5), pp.C5b-145-C5b-147. �10.1051/jphyscol:19715105�. �jpa-00214679�

(2)

MESURE DE .LA

TEMPERA'NRE

IONIQUE DU PLASMA FOCUS PAR DIFFUSION THOMÇON VERS L'AVANT

A.

Bernard, A. Coudeville, A. Jolas, J. de Mascureau, J.P. Watteau

Commissariat

à

1'Energie Atomique, Centre dlEtudes de Limeil B.P. no

27,

94 - Villeneuve-Saint-Georges

Résumé

On étudie le plasma de l'expérience Focus par la diffusion Thomson d'un faisceau laser. Pour mesurer sa température ionique pendant l'émission neutronique, on a d6 réduire l'angle d'observatiori de la diffusion par rapport

A

l'ode incidente de

90' B 7..

Les spectres obtenus sont comparés

aux

résultats théoriques de Salpeter.

The plasma Focus is studied by means of the Thomson scattering of a laser

k a m .

To measure the ion temperature during the neutron emission it was necessary to change the observation angle from 90' to 7'. The experimental spectra are compared to ~alpeter's theoretical calculation

S.

Introduction

Le but de l'expérience présentée est de mesurer la diffusion de l'onde électromagnétique d'un laser

à

rhbis par le plasma chaud et dense de l'expérience

"FOCUS"

[17. Le phénom8ne physique est la diffusion Thomson, c'est-Adire la diffusion par les électrons du plasma. Le mouvement de ces,der- niers entrafne un effet Doppler sur la lumière dif-

Le laser A rubis utilisé a les caractdristiques suivantes

:

énergie maxlmale 15 J, largeur d'impul- sion 20-25 na, longueur d'onde

1

694;) ;, ^lwg-

de raie A$

=

0.05 ;. polarisation horizontale et déclenchement par cellule de Pockels. La divergence du faisceau est limitée

B

2.10-~

r d

pour 65

$ de

l'énergie par un premier diaphragme de 1 mm au foyer d'une lentille de 250

^ami

de distance focale.

Compte tenu de la puissance du laser, cette focali- fusée. Pour pouvoir déterminer la température ioni- sation a lieu sous vide primaire pour dviter tout que A partir du spectre diffusé, il faut que la claquage. image du diaphragme est forde au gran- diffusion soit collective c'est-à-dire que le para- dissement -1, 1 cm devant l'électrode centrale. De mètre oc introduit par Salpeter reste supérieur cette façon le filament de plasma est entière- ou égal -

à

l'unité.

NOUS

avons

:

ment traversé

par

le faisceau laser. L'ouverture du

A

⁰

Io longueur d'onde laser faisceau est de 1/15 ce qui définit convenablement

d = 4

4%r\Dsin 9/2 AD longueur de Debye le vecteur d'onde incident ko . Etant donne8 la fai- angle de la direction d'observation et de l'onde

incidente.

Diffusion Thomson A 90'

Une première expérience a été montée pour observer la lumière diffusée A

90'

de la direction incidente. Le dispositif expérimental est représenté sur les figures 1 et 2.

VIDE 'PRIMAIRE ~UBLZTS m 1

I W D E N C E M

LASER A GAZ BREWSER OBSERVATON A 7.

O'ALIGMEMEMT

LA DECHARGE

Fig. 1

Dispositif exfirimental

:

éclairement du plasma.

ble section effioace de la diffusion Thomson

c0

=

8.10"~ cm2, il faut prendre de nombreuses précautions pour éliminer la lumière parasite. Le faisceau laser se propage dans des tubes munis de diaphragmes, les hublots étant traversés sous inci- dence de Brewster. Après passage dans le plasma, le faisceau est piégé dans une chambre absorbante. Sur la figure 1 est indiqud également le laser A gaz (He - ~ e ) utilisé pour l'alignement de tout le dis- positif optique.

A 90'

de la direction incidente, on observe un volume de 6 mm de long et 1

mm

de large délimité par une fente. Nous utilisons un spectrographe Mac Pherson de distance focale 1 m et

O

d'ouverture f/10 dont la dispersion est de 2,l A/m

O

A 6943 A. Dans le plan image de sortie un disposi- tif

à

fibres de verre découpe le spectre en 8 ca-

O

naux Jointifs. Chaque canal, de 4 A de large, est relie

A

un photomultiplicateur Radiotechnique56TVP

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:19715105

(3)

A. BERNARD ET AL.

dont l e s i g n a l e s t e n r e g i s t r é s u r oscillographe.

p ) l Z

Fig. 2

A n a l y ~ e d e l a lumière d i f f u s é e A 90' : d i s p o s i t i f A

8

canaux

La chronologie e n t r e l'impulsion l a s e r , l e s signaux d i f f u s é s , l a dérivée du courant e t l a dérivée d e l'émission neutronique dN/dt e s t effectuée

B

i l 0 na.

Cette expérience a permis d'observer des signaux d i f f u s é s e t d e l e s analyser pendant l e s 50 n s qui précèdent l'émission neutronique

C?J.

Le minimum d e l a dérivée du courant corncide avec l e début d e 1'6- mirrion neutronique (Flg;'

3)

e t nous prenons c e t i n s t a n t comme origine des temps t = O. Nous avons obtenu par exemple au temps t = -10 n s un spectre

O

d i f f u s 6 d e

16

A A mi-hauteur q u i a é t é comparé aux p r o f i l s théoriques d e Salpeter par une méthode de moindres c a r r é s e t qui a fourni l e s r é s u l t a t s sui- vants :

1/2 Ti - 0 O e . 1

7 1 ^{+ a}

^{- 0 . 7}

Te e t Ti : températures électronique e t ionique.

Le paramètre d e s t estimé B p a r t i r des signaux de d i f f u s i o n Rayleigh obtenus s u r l e m6me montage pour un remplissage de l a chambre A 80 Torr d'azote. Nous trouvons une denaité électronique ne

>

^4.1018 cmm3 e t 0()/1,25. Les s p e c t r e s observés sont t r a n s l a t é s d e

3,5

A

4,5

A vers l e s hautes longueurs d'onde ce qui correspond B une v i t e s s e d'ensemble du plaama dans l a d i r e c t i o n e t l e sens du faisceau l a s e r incident dont l a valeur e s t au maximum v = 2.107cm a-'.

Avec c e d i s p o s i t i f d e ddtection A = 90°

nous n'observons pas de signaux diffus66 pendant l'émission neutronique c ' e s t - A d i r e pour t p o s i t i f . Nous attgibuons ce phénomène A l'évolution du

rapport ne/T

,

qui e n t r a î n e une diminution du para- mbtre Ci*

& 2 h (2yn

lequel devient i n f é r i e u r B l ' u n i t é . Pour

oc <

1 l a d i f f u s i o n n ' e s t plus collective. Le spectre a l o r s c a r a c t 6 r i s t i q u e d e s f l u c - t u a t i o n s d e s é l e c t r o n s e t non p l w d e c e l l e s d e s ions, devient sensiblement- f o l 8 plu. l u g e (mi,

me

masses dea ions e t d e s diectrons).

Le

rapport s i g n a l s u r b r u i t e s t a l o r s t r o p f a i b l e pour observer l e spectre d i f f u s é . Pour conserver l e paramétre &>l pendant l'émission neutronique noue compensons l'augmentation d e T e h e par l a diminu- t i o n d e l ' a n g l e d' observation

p.

Nous avons c h o i s i

- ^7'

ce qui permet d e m u l t i p l i e r K par 10 pour l e s mêmes c a r a c t é r i s t i q u e s de plaama ne, Te.

Diffusion Thomson v e r s 1 'avant

Pour v é r i f i e r c e t t e hypothhse noua avons monté une première expérience qui nous permet d'observer simultanément l e s signaux d i f f u s é s A 90' e t A

7'

sans l e s analyser en longueur d'onde. La ré&n

obierv6e correspond approximativementau volume focal du l a s e r , il a 1 mm d e diamètre e t

6

m d e long. Pour observer l a d i f f u s i o n vers l ' a v a n t un Jeu d e diaphragmes annulaires sélectionne rigoureu-

sement l e s rayons lumineux e n t r e 6'30' e t

7'30'. La

lumière p a r a s i t e due au l a s e r e s t r é d u i t e de c e t t e façon A une valeur i n f é r i e u r e au centième de l a lumiere diffusée. La f i g u r e

3

e s t l a reproduction d'oscillogrammes obtenus au cours d e deux décharges A e t B qui ont donné respectivement

1,7

10' e t 1.3 10 neutrons. Pour l e 9 t i r A l e maximum de l'impulsion l a s e r e s t au temps t = O ns.

l a s e r

s i g n a l A

7'

s i g n a l A

90°

Q

.

^{s o n s}

. -

^{S o n s}

N = 1,7

log

N ^:1,3 109 Fig.

3

Reprcduction d' oscillogrammes

(4)

MESURE

DE LA

TEMPERATURE IONIQUE

DU

PLASMA

On observe d e s signaux d i f f u s é s

B

90' e t A

7'.

Pour l e t i r B A t = +40 n s l e s i g n a l B 90' n ' e s t p l u s observable malgré une grande s e n s i b i l i t é d e l ' o s c i l - lographe, t a n d i s que l e s i g n a l B

7 O

demeure. Pour a n a l y s e r l e s p e c t r e d i f f u s é en longueur d'onde nous avons e n s u i t e monté l e d i s p o s i t i f r e p r é s e n t é s u r l a f i g u r e 4.

ABMRBfiON AWLIYIR O€ S C T E

ETALON L U l l M l R W S ANUCLIIIES

MASWJES A N M A I R E S

REGLABLE LUMIERE DIFFUSEE

TOTALE

l,!

LASER

Fin. 4

Analyse d e l a lumière d i f f u s é e à 7O : d i s p o s i t i f multicanaux

La l a r g e u r du s p e c t r e dans l e c a s c o l l e c t i f e s t d e l ' o r d r e d e :

(7 ⁾

^l'*

s i n

p/2

7

mi masse d e s i o n s deutérium. Par conséquent, l e s p e c t r e d i f f u s 6 B

7.

e s t p l u s é t r o i t que l e spec- tCe d i f f u s é à 90'. Nous avons donc remplacé l'ensem- b l e spectrographe e t f i b r e s d e v e r r e u t i l i s é

B

90"

p a r un e t a l o n i n t e r f e r e n t i e l d e Fabry-Perot e t un analyseur multicanaux du type "Fafnir"

L4/.

L ' i n t e r -

O

v a l l e s p e c t r a l l i b r e du Fabry-Perot e s t d e

8

A e t l e f i l t r e i n t e r f e r e n t i e l u t i l i s é comme monochromateur a

O

une bande passante d e

9

A c e n t r é e s u r 6943 A. Pour débuter l ' é t u d e nous avons r é g l é l ' a f o c a l d e t e l l e

O

façon quechaquecanal i n t e r c e p t e 0,6 A. L'étalonnage r e l a t i f d e s d i f f é r e n t s canaux e s t e f f e c t u é

A

l ' a i d e

O

@'un l a s e r B gaz He-Ne (6328 A). En f a i s a n t v a r i e r l a pression du gaz d a n s l ' e n c e i n t e contenant l ' é t a - l o n Fabry-Perot nous pouvons b a l a y e r l e s canaux un par un e t r é g l e r l ' a l i m e n t a t i o n h a u t e t e n s i o n d e s photomultiplicateurs. Dans c e s c o n d i t i o n s l a l a r g e u r pnstrumentale d e t o u t l e système e s t i n f é r i e u r e

B

un

O

panai s o i t 0.6 A. La f i g u r e

5

nous montre un exemple Be s p e c t r e d i f f u s é obtenu au temps t = +20

:

1 0 n s

pur

un t i r q u i a donné 2,7.10

9

neutrons. Il s e 1-6- p a r t i t sur

6

canaux. Nous l ' i n t e r p r é t o n s comme une r a i e ionique d o n t l e p r o f i l théorique e s t donné p a r La f o n c t i o n

r

(y) d e S a l p e t e r

PI.

Dans n o t r e c a s

P o

Y -

^7' ^,

^A. -

⁶⁹⁴³^A^:i ' é i a r g i s s e m e n t ~ l e n

;

^{e s t}

l i é

B

y = @ e t h l a température ionique par l a

oi

r e l a t i o n

Ah

2.75.10" y (Ti en eV).

Fig.

5

Exemple d e s p e c t r e d i f f u s 6

Nous avons t r a c é , en l a normalisant, l a courbe

~ ( b l ,

T ~ ) pour

f3

^MO,5 e t Ti = 1 keV q u i passe par l e s p o i n t s expérimentaux compte tenu d e s a r e m .

Conclusion

Les r é s u l t a t s d e d i f f u s i o n Thomson v e r s l'avarit p r é s e n t é s i c i , s o n t t r à a r é c e n t s

e t

prélirnl- n a i r e s . Mais ils montrent que l e s s p e c t r e s obtenus ne s o n t pas d a n s l'ensemble t r è s d i f f é r e n t s d e s p r o f i l s t h 6 o r i q u e s correspondant à d e s d i s t r i b u - t i o n s maxwelliennes d e s v i t e s s e s é ï e c t r o n i q u e s e t ioniques. Il s e r a i n t é r e s s a n t d e comparer l e s tempé- r a t u r e s mesur6es avec œ i l e s caicuï4ea p a r P o t t e r à l ' a i d e d ' u n modele MHD bidimensionnel. dba qu'une 6tude expérimentale p l u s complète a u r a 6 6 effectu6e.

,&'

Patou (C.), Simonnet (A.), Watteau (J.P.) J. d e Physique,

1968, 9 , 973

L;?I

S a l p e t e r (E.E.), Phys. Review,

1960,

120, 1528

D/

Baconnet (J.P.), C e s a r i (O. ), Coudeville (A. ), Watteau

(J

.P. )

,

Communication présentée à l a Ninth I n t e r n a t i o n a l Conference on Phenornena i n Ionized Gases. Bucharest, Romania, 1-6/9/1969.

&

Hirchberg (J.G.), Breton

('2.1,

Chabbal (R.1, Communication p r é s e n G e au

3rd

Symposium on Engineering Problems. Munich, 1964.

P o t t e r (D.E. ), Ph.D. Thesis, U n i v e r s i t y of London 1970.