HAL Id: jpa-00214676
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Submitted on 1 Jan 1971
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INTERACTION AVEC UN CHAMP MAGNETIQUE D’UN PLASMA CREE PAR IRRADIATION LASER
DE SOLIDE
J. Bruneteau, S. Colburn, E. Fabre, A. Poquerusse, C. Stenz
To cite this version:
J. Bruneteau, S. Colburn, E. Fabre, A. Poquerusse, C. Stenz. INTERACTION AVEC UN CHAMP MAGNETIQUE D’UN PLASMA CREE PAR IRRADIATION LASER DE SOLIDE. Journal de Physique Colloques, 1971, 32 (C5), pp.C5b-136-C5b-138. �10.1051/jphyscol:19715102�. �jpa-00214676�
INTERACTION AVEC UN CHAMP MAGNETIQUE D'UN PLASMA CREE PAR IRRADIATION LASER D E SOLIDE
J. Bruneteau, S. Colburn, E. Fabre, A . Poquerusse, C. Stenz
Laboratoire de Physique des Milieux Ionisés, Erole Polytechnique, Paris Equipe de Recherche associée au C.N.R.S.
Résumé
Nous présentons les résultats de l'étude expérimentale de l'interaction avec un champ magnétique d'un plasma de laser. L'accord est assez bon avec les prévisions théoriques pour l'arrBt de l'expansion d'un plasma de conductivité électrique élevée.
Abstract
We present some results of the experimental investigation of the interaction with a magnetic field of a laser produced plasma. A reasonably good agreement is found with the theoretical prediction for a high conductivity expanding plasma.
L'irradiation de solides au moyen de lasers de puissance permet d'obtenir des plasmas de haute densité et de température élevée. Pendant la phase d e formation associée 3 lrimpulsion laser, la densité électronique se situe au voisinage de la densité de coupure 3 la fréquence laser (2.4 1 D 2 1
- 3
e cm pour le Jaser à rubis) et la température entre 5 0 et plusieurs centaines d'electrons volte selon la puissance laser. Cette phase est très brève car il s e produit une détente du plasma qui a pour résultat la décroissance rapide de la densité et de la température. La première conséquence en est la diminution rapide de l'absorption de la lumière laser par le plasma par suite de la chute de densité et de ce fait la fin du chauffage. D e plus l'énergie thermique se retrouve essentiellement en fin de détente sous la forme d'énergie dirigée des ions et en quelques dizaines de nano secondes la température aura diminué de plus d'un ordre de grandeur.
L'action d'un champ magnétique sur le plasma aura pour effet de diminuer la détente. On peut donc espérer d'une part accroftre l'absorption de l'énergie laser et d'autre part en confinant le plasma dans une géométrie magnétique maintenir la température des particules à la valeur atteinte au cours du chauffage. Cependant modifier l'absorption nécessite d'agir pendant la phase où la densité est au voisinage de la densité de coupure 3 la fré- quence laser. 1 1 apparaft immédiatement qu'aux fré-
quences optiques ceci conduit à disposer de champs supérieurs à Id gauss ce qui est difficilement réalisable, par contre à 1 0 microns pour un laser CO2, un champ de 1 u 5 gauss est suffisant pour conte- nir un plasma absorbant ayant une température d'environ 100 eV. Les problèmes de confinement dans une géométrie magnétique, a des densités plus faibles, ne necessitent pour leur part que deschamps magnétiquede quelques dizaines d e kilogauss. Dans ces deux types d'expériences, i l est nécessaire d'étudier la phase initiale de l'interaction du plasma avec un champ magnktique, période qui marque l'arrét de l'expansion, et à la suite de laque$le prennent place les fuites du plasma le long des lignes de champ ou par d'autres processus, insta- bilités par exemple. L'interaction d'un plasma en expansion rapide, avec un champ magnétique a été étudiée théoriquement par différents auteurs [1,3].
La description de cette interaction s e fait en consi- dérant que initialement la conductivité électrique est telle que le champ magnétique ne peut pénétrer que sur une faible profondeur à la frontière du plasma. Pour une température de 100 eV, la distance de pénétration est d'environ 0.1 mm en 10-~secondes.
Dans cette région, s'établissent des courants et le mouvement de cette zone perpendiculairement au champ magnktique est rapidement freiné. Le plasma en s e détendant déforme les lignes de champ, et crée une cavité, dont les dimensions quand l'expansion est arretée, sont telles que la pression du plasma sera comparable 3 la pression magnétique.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:19715102
INTERACTION AVEC UN CHAMP MAGNETIQUE D'UN PLASMA CREE PAR IRRADIATION LASER C5b-137
S i l ' i n t e r a c t i o r ~ p r é s e n t e u n c a r a c t è r e s p h é r i q u e o n p e u t d é d u i r e d e c e c i q u e l e s d i m e n s i o n s d u p l a s m a a u moment d e l ' a r r e t d e l ' e x p a n s i o n v o n t v a r i e r comme B-*/~. Si 1s p r ~ ! - e s s u s e s t à s y m é t r i e c y l i n d r i q u e a u t o u r d e B, l a d é p e n d a n c e s e r a a l o r s e n B-' d a n s l a m e s u r e o u l ' o n n é g l i g e l a d é t e n t e l e l o n g d e s l i g n e s d e c h a m p s . L e s t e m p s c a r a c t é r i s t i q u e s d ' a r r e t d e l ' e x p a n s i o n s ' o b t i e n n e n t e n i n t r o d u i s a n t d a n s l e s é q u a t i o n s d e mouvement e t d ' é n e r g i e l e s t e r m e s d o s à l a p r é s e n c e d u champ m a g n é t i q u e , q u i p e u v e n t s e r é s u m e r si l ' o n n é g l i g e l ' e f f e t j o u l e à un t e r n e d e p r e s s i o n m a g n é t i q u e s ' o p p o s a n t à l a d é t e n t e . Le c a l - c u l c o m p l e t a c e p e n d a n t é t é e f f e c t u é n u m é r i q u e m e n t p a r d i f f é r e n t s a u t e u r s d a n s l e c a s d e l a d é t e n t e s p h é r i q u e s C1,21 o u c y l i n d r i q u e [3]. L e s c o n c l u s i o n s e s s e n t i e l l e s d e c e s c a l c u l s s o n t l e s s u i v a n t e s : l e mouvement d e l a f r o n t i g r e d u p l a s m a a un compor- t e m e n t o s c i l l a t o i r e r a p i d e m e n t a m o r t i d u f a i t d e l a r é s i s t i v i t é d u m i l i e u . La p é r i o d e d e c e s o s c i l l a - t i o n s e t d o n c a u s s i l e t e m p s c a r a c t é r i s t i q u e d ' a r r é t d e l ' e x p a n s i o n v a r i e comme B-"~ d a n s l e c a s s p h é - r i q u e e t B -1 p o u r l e c a s c y l i n d r i q u e . La r é p a r t i t i o n d e d e n s i t é d o n s l e p l a s m a a u c o u r s d e c e t t e p h a s e p r é s e n t e u n e s t r u c t u r e e n " c o q u i l l e n a v e c un a c c r o i s - s e m e n t n o t a b l e d e l a d e n s i t é à l a ~ é r i ~ h é r i e . Nous a v o n s é t u d i é l a d é p e n d a n c e a v e c l e c h a m p m a g n é t i q u e d u t e m p s d ' a r r é t d e l ' e x p a n s i o n e t d e s d i m e n s i o n s d u p l a s m a à c e t i n s t a n t . L e s m e s u r e s o n t é t é f a i t e s d a n s un champ u n i f o r m e e t un champ e n m i r o i r . C e p e n d a n t a u c u n e d i f f é r e n c e a p p r é c i a b l e n e p o u v a i t ê t r e m i s e e n E v i d e n c e p e n d a n t c e t t e p h a s e c a r l e s
d i m e n s i o n s d u p l a s m a é t a i e n t i n f é r i e u r e s a u x dimcn- s i o n s c a r a c t é r i s t i q u e s d u m i r o i r .
L e s c o n d i t i o n s e x p é r i m e n t a l e s s o n t l e s s u i v a n t e s : Le p l a s m a e s t f o r m é p a r i r r a d i a t i o n d e c i b l e s d e p o l y é t h y l è n e a v e c u n l a s e r à r u b i s q u i d é l i v r e u n e i m p u l s i o n d e 4 j o u l e s e n un t e m p s d e 1 5 n a n o s e c o n d e s . La d e n s i t é d e p u i s s a n c e a u n i v e a u d e l a t a c h e f o c a l e e s t d e q u e l q u e s 1 011 w a t t s p a r cm2. Le p l a s m a e s t c r é é d a n s un champ m a g n é t i q u e p u l s é d o n t l a p é r i o d e e s t d e 3 5 0 m i c r o s e c o n d e s . La c o n f i g u r a t i o n e s t s o i t u n champ u n i f o r m e d e 7 0 k i l o g a u s s , s o i t un m i r o i r d e r a p p o r t 4 a v e c un champ a u c e n t r e d e 1 0 k i l o g a u s s . L e s d i a g n o s t i c s m i s e n p l a c e s o n t u n i q u e m e n t op- t i q u e s : p h o b q r a p h i e r a p i d e , i n t e r f é r o m é t r i e Mach-Zhender, s t r i o s c o p i e e t d i f f u s i o n Thompson.
P o u r c e d e r n i e r , s e u l e s q u e l q u e s m e s u r e s d e d e n s i t é
o n t pu é t r e o b t e n u e s . Le d i s p o s i t i f d ' é t u d e d u p r o f i l d e l a r a i e d i f f u s é e n ë t a n t p a s e n c o r e e n p l a c e s u r c e t t e e x p é r i e n c e . C e s d i a g n o s t i c s n é c e s - s i t e n t l ' é c l a i r e m e n t du p l a s m a q u e l q u e s i n s t a n t s a p r è s s a f o r m a t i o n . P o u r l ' i n t e r f é r o m é t r i e e t l a s t r i o s c o p i e , n o u s a v o n s u t i l i s é s o i t u n e f r a c t i o n d u f a i s c e a u p r i n c i p a l r e t a r d é e o p t i q u e m e n t , s o i t un l a s e r e n i m p u l s i o n à K r y p t o n i o n i s é d é c l e n c h é 3 p a r t i r d u l a s e r d e p u i s s a n c e . P o u r l a d i f f u s i o n un d e u x i è m e l a s e r .3 r u b i s i d e n t i q u e a u l a s e r d e c h a u f f a g e a é t é s y n c h r o n i s é p a r r a p p o r t à ce d e r n i e r . P o u r un r e t a r d e n t r e l e s d e u x i m p u l s i o n s u a r i a n t d e 0.1 a q u e l q u e s ~6 l ' i n c e r t i t u d e moyen-
n e e s t d ' e n v i r o n 5 0 n a n o s e c o n d e s . Le p l a s m a f o r m é c o n t i e n t d e 6 à 0 1 b f 6 é l e c t r o n s , 1 0 ' ~ a t o m e s d e c a r b o n e e t 2 1 ç I 6 a t o m e s d ' h y d r o g è n e . D a n s l e c a s d e l ' e x p a n s i o n l i b r e , 1 5 0 n a n o s e c o n d e s a p r è s l a f o r m a t i o n , l a d e n s i t é é l e c t r o n i q u e e s t i n f é r i e u r e à 1 0 1 6 e à q u e l q u e s mm d e l a c i b l e
e t d e c e f a i t l e s m e s u r e s i n t e r f é r o m é t r i q u e s n e s o n t p l u s a s s e z s e n s i b l e s . L ' a c t i o n d ' u n champ m a g n é t i q u e s e t r a d u i t p a r un a c o r o i s s e m e n t i m p o r - t a n t d e l a d e n s i t é . D a n s d e s c o n d i t i o n s i d e n t i q u e s , p o u r un champ u n i f o r m e d e 7 0 k i l o g a u s s on m e s u r e
5 1 0 1 8 , cm-3. Nous a v o n s é t u d i é l ' é v o l u t i o n d e s d i m e n s i o n s d u p l a s m a t r a n s v e r s a l e m e n t a u champ m n g n é t i q u e , e n f o n c t i o n d e ce d e r n i e r e t a u s s i l e t e m p s d ' a r r e t d e l ' e . x p a n s i o n . P o u r l e d i a m è t r e du p l a s m a l a v a r i . a t i o n e s t e n b o n a c c o r d a v e c l a p r é -
-2/3
v i s i o n t h é o r i q u e e n B ( f i g . 1). P o u r l e t e m p s d f a r r & t l ' a c c o r d e s t b o n p o u r l e s c h a m p s f a i b l e s
( f i g . 2 ) e t e n s u i t e l e t e m p s d ' a r r é t v a r i e p l u s v i t e q u e l e p r é v o i t l e c a l c u l . C e c i p e u t s e com- p r e n d r e e n t e n a n t c o m p t e q u e p o u r d e s c h a m p s s u p é - r i e u r s à 1 0 k i l o g a u s s l e champ e s t t o u j o u r s i n s u f - f i s a n t p o u r l i m i t e r l a d é t e n t e l e l o n g d e l a p e r - p e n d i c u l a i r e a u p l a n d e l a c i b l e . C e c i e n t r a î n e u n e d i m i n u t i o n r a p i d e d e l a d e n s i t é B l e c t r o n i q u e e t un é q u i l i b r e d e l a p r e s s i o n m a g n é t i q u e d e l a p r e s s i o n p l a s m a d a n s l a d i r e c t i o n p e r p e n d i c u l a i r e à B e n un t e m p s i n f é r i e u r a u t e m p s d ' a r r é t c a r a c t é r i s t i q u e d e l ' i n t e r a c t i o n s p h é r i q u e . La d i s t r i b u t i o n r a d i a l e d e l a d e n s i t é p r é s e n t e c e t t e a l l u r e c a r a c t é r i s t i q u e d e s t r u c t u r e e n c o q u i l l e a v e c u n a c c r o i s s e m e n t d e n à l a p é r i p h é r i e . Le r e b o n d i s s e m e n t du p l a s m a e s t o b s e r v é t a n t p a r p h o t o g r a p h i e q u e p a r i n t e r f é r o m é , t r i e m a i s s e u l e u n e o s c i l l a t i o n a pu é t r e n o t é e .
J. BRUNETEAU ET AL.
Ce comportement du plasma est observé qualitati- vement quelque soient la forme et les dimensions de la cible. Cependant i l n'intéresse pas toutes les particules du plasma dont une fraction n'est que peu rnfluencée par le champ magnétique et fuit dès le début le long de la normale au plan de la cible comme nous l'avions observé antérieurement i-41
Après l a phase lnltiale dvarr@t de l'expansion le comportement dépend évidemment de la configuration magnétique. En champ uniforme c'est 1a.fuite le long des lignes de champ qui domine. Cependant, dans cette configuration Lorsque l'expansion trans- versale à B est stoppée la décroissance de la den- sité est relativement lente et pour un champ de 70 kilogauss l a densité n varie entre 5 et 2.1G 1 8 pendant un intervalle de temps de 100 à 200 nano- secondes, la longueur du plasma étant de quelques cm. Ce plasma sera fortement absorbant pour un laser CO2. Dans le cas d'une géométrie en miroir, après llarr&t de l'expansion l'observation du plasma peut se faire pendant plusieurs microsecondes. Du point de vue mesure de la densité l'interférométrie n'est plus assez sensible et seule la diffusion Thompson donne quelques résultats, nous mesurons encore 1 microseconde après la formation, une den-
- 3 sité de quelques l d 4 e cm .
Nous n'avons pu déterminer de façon précise la durée de vie du plasma dans le miroir.
C2 1
Haught a montré que dans un puits magnétique celle- ci était définie par les pertes dans le cane du miroir. En fait dans notre cas en plus d'instabili- tés de type fldtes, on observe par photographie qu'une fraction de la cible vaporisée se détend dans le plasma induisant une recombinaison intense.
En conclusion, l'action d'un champ magnétique se traduit comme le prévoit la théorie par un arr&t rapide de l'expansion, les dimensions et le temps d'arr&t étant en assez bon accord avec les calculs dans lesquels la conductivité du plasma est élevée.
Nous comptons utiliser la diffusion Thompson afin d'étudier la durée du confinement et la thermalisation de ce plasma. Enfin dans un champ uniforme élevé, on voit que l'on peut maintenir pendant une centaine de nanosecondes un plasma dont
la densité eat suffisante pour que l'on absorbe le faisceau d'un laser CO
2' BIBLIOGRAPHIE
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DXAlETRE BU P U S M AU TEMPS OU L'EXPAüSIûN DAN5 UN CHAW MAWETIQUE
UNIFORME EST ARRETEE
T E W AUQUEL LE PLASMA ATTEINT SON DIAMETRE
