ETUDE D'IONS MULTICHARGES DANS LES PLASMAS PRODUITS PAR LASER

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Submitted on 1 Jan 1980

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ETUDE D’IONS MULTICHARGES DANS LES PLASMAS PRODUITS PAR LASER

P. Jaeglé, A. Carillon, G. Jamelot, C. Wehenkel, A. Sureau, H. Guennou

To cite this version:

P. Jaeglé, A. Carillon, G. Jamelot, C. Wehenkel, A. Sureau, et al.. ETUDE D’IONS MULTICHARGES

DANS LES PLASMAS PRODUITS PAR LASER. Journal de Physique Colloques, 1980, 41 (C3),

pp.C3-191-C3-194. �10.1051/jphyscol:1980330�. �jpa-00219849�

JOURNAL DE PHYSIQUE Colloque C3, supplément au n° 4, Tome 41, avril 1980, page C3-191

ETUDE D ' I O N S f'ULTICHARGES DANS LES PLASMAS PRODUITS PAR LASER

P . J a e g l é , A. C a r i l l o n , G. J a m e l o t , C. W e h e n k e l , A. S u r e a u e t H. Guennou

Laboratoire de Spectroscopie Atomique et Ionique, Université Paris-Sud, Bât.350, 91405 Orsay, France GRECO "Interaction Laser-Matière" du C.N.R.S., Ecole Polytechnique, 91120 Palaiseau, France.

Résumé - Parmi les plasmas chauds, les plasmas produits par laser ont pour caractéristiques une densité maximum très élevée, présentant un fort gradient spatial, et une variation tempo- relle rapide de la température et de la densité. L'étude du rayonnement des ions multichargés, nécessaire pour les diagnostics sur ces paramètres, offre à la physique atomique un champ de recherche original comprenant notamment l'identification de raies non-observées dans d'autres conditions, d'importantes modifications du profil des raies spectrales par le transfert radia- tif, l'élargissement et le déplacement par effet Stark. Ces plasmas sont le lieu de déséquilibres de population, pouvant aller jusqu'à l'inversion entre deux niveaux d'un ion, dans un domaine d'énergie s'étendant jusqu'à l'ultraviolet extrême ou aux rayons X mous. L'étude expérimentale et théorique de ces phénomènes progresse mais nécessite la solution de croblèmes complexes.

Nous présentons succintement les travaux effectués récemment dans ce domaine avec le laser du GRECO "Interaction Laser-Matière".

Abstract - With respect to hot plasmas, laser induced plasmas have an especially high density, with a steep spatial gradient and a fast temporal variation of temperature and density. The study of multicharced ion radiation, wich is necessary to perform diagnostics of plasma para- meters, opens a new field for atomic physics investigations, including identification of peculiar lines, which are not observed in other conditions, large changes in line profiles due to radiative transfer and to both shift and broadening by Stark effect. Departure from population equilibrium takes place in these plasmas, going possibly so far as population in- version between ionic levels in an energy range covering EUV and soft X-rays. Experimental and theoretical study of these phenomena are in progress and needs to find solutions for complicated problems. Here, recent works performed with the laser of the GRECO "Interaction Laser-Matiere" are briefly presented.

Dans les plasmas produits par laser, la pré- sence de forts gradients de densité et de tempéra- ture a une importance essentielle pour les proprié- tés de l'interaction du rayonnement du laser avec la matière. L'absorption résonante, l'émission de particules rapides, divers processus r.on-linéaires, prennent naissance en effet dans la zone du plasma où la densité électronique passe de valeurs infé- rieures aux valeurs supérieures à la densité criti- que pour laquelle la fréquence du rayonnement égale la fréquence de plasma.

Ici, nous montrons d'abord comment la spec- troscopie des ions multichargés, adaptée à ces caractéristiques, permet d'obtenir des renseigne- ments sur des variations de densité se produisant sur une très courte distance dans cette région du plasma. Celui-ci est produit en focalisant le faisceau du laber sur une cible solide, à l'inté- rieur d'une chambre d'expérience sous vide directe- ment reliée à un spectrographe à réseau sous incidence rasante. La fente d'entrée de celui-ci est représentée schématiquement dans la partie gauche de la figure 1 . Un miroir torique sous

m m ... I I

J-^l I

3 Wj L.lOOx L.200» L»75„ j

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.1 ^{, P} ° H ! • > < -

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Fig. 1 - Calcul de la forme des raies spectrales attendue pour une variation exponentielle de la densité du plasma et trois valeurs de la longueur L de gradient (a,b

c) et pour une décroissance li- néaire sur une distance de 2 0 0 ^ (d)« Le déplacement maximum, au centre des raies, correspond à la zone de densité maximum, prés de la surface de la cible.

A gauche, fente d'entrée du spectrographe et re- présentation de son éclairement par le rayonnement du plasma après reflexion sur un miroir torique.

incidence rasante, permettant la reflexion de l'ul- traviolet extrême, est placé entre le plasma et la fente d'entrée. Il est calculé de manière à ce que, après reflexion, tous les rayons cheminent paral- lèlement au plan horizontal (focale sagitale à l'infini). I,a forme réelle de la ligne sur laquel- le s'appuient les rayons est courbe comme le montre

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1980330

c3-192 ^JOURNAL DE PHYSIQUE

le Spot lumineux calculé sur la figure 1. Un dépla- cement du point source dans le plasma produit une

translation proportionnelle de cette ligne dans le plan de la fente. Il en résulte que l'éclairement provenant dlune série continue de points du plasma se distribue le long de la fente d'entrée qui assure ainsi une résolution spatiale de l'émission. On peut montrer que la limite de résolution est d'envir0n5~.

Si maintenant les raies spectrales sont sujettes à

u t 1

déplacement et à un élargissement fonctions de

de 13. position du point émetteur, on obtiendra des profils de raie conui,e ceux qui sont représentés dans la partie droite de la figure 1.

L'effet Stark, du aux électrons libres et aux ions voisins de llion émetteur, est susceptible de produire de tels déplacements et élargissements, fonctions de la densité de particules et, par consé- quent, de la zone observée du plasma. C'est ce que montrent les photographies de la figure 2, repré- sentant la forme d'une raie d'un plasma dlalu.iinium, obtenueschacuneen un seul tir, pour deux visées légèrement différentes du plasma. Les formes calcu- lées correspondantes, à gauche, ont été obtenues en

supposant un déplacement spectral proportionnel à la puissance 4/3 de la densite, l'élargissement variant proportionnellement à celle-ci. La loi de variation de la densité est supposée exponentielle, perpendi- culairement à la surface de la cible, avec une l m - gueur caractéristique de 200p. La sensibilité de cette méthode est assez grande pour déterminer la forme de la variation de densité et sa longueur ca- ractéristique mais elle appelle, pour être utilisée efficacement, un développement de la thPorie du dé- placement et de l'élargissement par effet Stark à

(1 ) forte densité .

Fig. 3 -Modification calculée du profil d'une raie spectrale par réabsorption dans un plasma inhomog6ne;

A gauche et en bas, profil optiquement mince de forme Lorentzienne et profil modifié par la réabsor- ption, autorenversé; au dessus, caractéristiques du modèle de plasma utilisé; à droite, modification ajoutée par la fonction d'instrument, rectangulaire ou Gaussienne, pour plusieurs largeurs de celle<?.

La réabsorption du rayonnement dans le plasma est une autre cause importante de modification du proîil des raie^'^'^'^). Son étude nécessite une simulation numérique car, si dans un plasma homogine la modification touche principalement la largeur de raie, les variations de température et de densité le long du trajet du rayonnement produisent des cf- Pets plus complexes.

Rappelons que les profils sont calculés par intégration de l'équation de transfert:

Fig. 2 - Spectre d'un plasma d'aluminium dans 1s ré- gion de 48 1 de longueur d'onde, pour deux visées à 25p en avant (spectre du bas) et en arrière (spec- tre du haut) de la surface de la cible. Dams ce der- nier cas, le rayonnement provenant de la surface de la cible apparait aux limites de la bande blanche horizontale dont la largeur permet donc un repérage précis de la direction visée. Les raies présentent la courbure caractéristiq..e que provoque un déplace- nient vers le rouge croissant lorsque la zone émet- trice se rapproche de la cible. A gauche, formes de raie calculéis pour une densité décroissant exponen- tiellement à partir de la cible, avec une longue-n caractéristique de 200r ; le déplacement maximwn, au centre, est fixé arbitrairement.

où dI, est la variation d'intensité 1, A la Pré- quence v sur la longueur dx, j , et k, sont respec- tivement les coefficients d'émission et d'absorption.

Si une seule transition discrète contribue au rayon- nement à la fréquence v , ^{l'on a:}

hv

j, = Ag xN2(x) 4 (

+ j, h v

oh A g et Bg sont les coefficients d'Einstein pour

l'émission et l'absorption, N~(x) et NI (x) sont les densités de population des niveaux supérieur et in-

férieur de la transition dépendant de la postion x du point dans le plasma, gl et g2 sont les poids

statistiques des niveaux, +(v,x) est une fonction de profil pouvant changer le long du trajet du rayon- nement; jc etkc sont les contributions du spectre continu, dont l'expérience montre qu'elles ne sont pas négligeables en ultraviolet extrême.

Un exemple caractéristique du r61e de la ré- absorption est montré sur la figure 3 où l'on voit,

A gauche dans la partie inférieure de la figure, le profil optiquement mince, que l'on a supposé Loren- tzien, et à c8té le profil transformé par la réabsor- ption. Le modèle de plasma utilisé est visible dans la partie supérieure de la figure. Les populations N p et N1 sont supposées suivre ladistributionde Boltzmann tout le long du trajet. Les couches péri- phériques froides sont responsables de l'apparition d'une structure auto-renversée dans le profil. Le décalage vers les courtes longueurs d'onde de cette structure, souvent observée expérimentalement, est produite dans le calcul par la prise en considéra- tion d'un effet ûUppler sur la réabsorption par les ions en expansion A une vitesse d'environ 1 o7 cm/sec.

La précision de ces calculs est limitée par l'imperfection de la connaissance de la fonction de profil +(v,x) qui détermine le profil optiquement mince. Dans les plasmas denses la forme et la largeur de cette fonction dépendent 21 la fois de la densité des électrons et des ions, qui élargissent les ni- veaux des transitions par collision, et de la tem- pérature ionique qui engendre un élargissement par effet Doppler thermique. Les données précises man- quent principalement pour l'élargissement collision-

nel. Une approximation par un profil Lorentzien, dans la région de forte densité, et par un pro- fil Gaussien lorsque la densité devient suFfisam- ment basse pour que l'effet thermique l'emporte sur les collisions, donne cependant de bons résul- tats qui peuvent parfois être améliorés par lTuti- lisation d'une fonction de VoYgt.

La figure 4 donne un exemple d'utilisation du calcul du transfert radiatif p~urpre~~irl'ef-

fet d'une augmentation des dimensions du plasma sur la forme d'une raie, les populations étant sup- posées A l'équilibre.

constate que l'augmentation d'épaisseur optique, résultant de celle de la lon- gueur, accentue l'auto-renversement de la raie sans aller jusqu'à produire un véritable profil d'absor- ption. L'apparition d'un tel profil dans une expéri- ence dénoteraitunepopulation inférieure à la valeur d'équilibre pour le niveau supérieur de la transi- tion.

Avant de présenter un résultat expérimental obtenu grsce A un plasma long, en forme de ligne, montrant des raies pour lesquelles la population du niveau supérieur est, au contraire, supérieure à la valeur d'équilibre, il faut encore souligner que l'intensité de certaines raies dans les plasmas pro- duits par laser est renforcée par rapport aux con- ditions habituelles d'observation , ce qui permet de mesurer avac précision leurs longueurs d'onde

Fig. 4 - Influence de la longueur du plasma sur le profil d'une raie spectrale.

Fig. 5 - Groupe de transitions 2s 2p5 - 2s 2p4(4~)3s

dans le silicium, l'aluminium et le magnésiwn; les

raies marquées (*) n'avaient pas ét6 observées au-

paravant; les raies marquées (+) étaient observées

mais non-identifiées ou incorrectement identifiées.

C3- 194 ^{JOURNAL DE PHYSIQUE} et facilite leur identification. C'est le cas du

groupe de raies montré par la figure 5 pour trois

ions appartenant à la même séquence isoélectro-

nique (5) .

Fig. 6 - Spectre longitudinal et transversal d'un plasma de 4 mm de long, pour une impulsion laser de 3 ns et une énergie de 30 J environ; l'exposition est cinq fois plus grande pour le spectre transver- sal; les longueours d'onde sont en angstrums; les raies à 103.8 A et 105.7 A sont spectaculairement renforcées dans le spectre longitudinal.

1

La production de plasmas allongés, en forme de

I -10 I

ligne de quelques millimetres de longueur, est in-

LII

dispensable pour l'étude des inversions de popLila- Fia. 7

- Coefficients d'absorption déduits des spec- tion suceptibles de produire une amplification de tres de la figure 6, le rapport des dimensions du

plasma ~/1 étant considéré comme un paramètre; la rayons X mous. Nous avons réalisé une expérience raie à 105.7 A rése ente une absorption inférieure A préliminaire, A lentille inclinée con- celle du spectre continu voisin ce qui indique tres

probablement un inversion de population pour cette centrant le faisceau sur une focale d'astigmatisme, raie.

de manière A déterminer les longueurs de plasma per- mises par le laser utilisé. Des résultats portant

O O

sur les raies à 117.4 A et 105.7 A de l'alwniniwn , -,

ont déjà été publiés(6). On a montré notamment que qui doit être résolue pour déduire le coefficient

O

l'excitation de la raie 117.4 A nécessite une im- d'absorption a des intensités mesurées TL et Il, le pulsion longue, à montée lente. C'est pourquoi cette rapport ~ / 1 a été considéré comme un paramètre. Ce raie est absente des spectres présentés ici, qui ont que l'on obtient alors sont des valeurs relatives été obtenus avec une impulsion de 3 ns (fig. 6). de l'absorption, permettant de la comparer d'une

longueur d'onde à l'autre. On voit ainsi (fig. 7) L'inhomogénéité de l'éclairement le long de

que la raie à 104.6 A est très absorbante alors qu'A la focale et, par ailleurs, l'expansion rapide du

105.7 A l'abr-orption est sensiblement plus faible plasma restreignent la précision avec laquelle le

que dans le spectre continu, ce qui indique une con- rapport des trajets lumineux longitudinal L et tran-

tribution négative de la transition discréte. Une sversal 1 peut être connu dans cette expérience.

C'est pourquoi, dans l'équation: inversion de population est donc très probable pour cette raie.

REFERENCES

1 - Nguyen Hoe, J. Grwnberg, M. Caby, E. Leboucher, 4 - ^J.P. Apruzese, J. Davis, X.G. Witney, J. Quant.

C. Couland, GRECO "ILM" Rapport Interne No 6 (1 978) Spectrosc. Radiat. Transfer, l7,557 ( 1 977)

2 - P. Jaeglé, G. Jarnelot, A. Carillon, A. Sureau, 5 - ^H. Guennou, A. Sureau, A. Carillon, G. Jamelot Journal de Physique, Colloque C4, 39, Supl. n o 7, J. Phys. B, E, 1657 (7 979)

C4-75 (1 978) 6 - G. Jamelot, P. Jaeglé, A. Carillon, C, Wehenkel, 3 - ^{E. Janniti, P.} Nicolisi, G. Tondello, L. Garifo, Journal de Physique, Colloque Cl, g, Supl. no 2, A.M. Malvezzi, Laser Interaction and Related Plasma C l -gl (1979)

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vol. 4 (1 977).