ETUDE EXPERIMENTALE DE L'INTERACTION D'UN FAISCEAU LASER DE GRANDE PUISSANCE AVEC UNE CIBLE DE DEUTERIUM SOLIDE

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HAL Id: jpa-00214675

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Submitted on 1 Jan 1971

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ETUDE EXPERIMENTALE DE L’INTERACTION D’UN FAISCEAU LASER DE GRANDE PUISSANCE

AVEC UNE CIBLE DE DEUTERIUM SOLIDE

A. Salères, D. Cognard, F. Floux

To cite this version:

A. Salères, D. Cognard, F. Floux. ETUDE EXPERIMENTALE DE L’INTERACTION D’UN FAIS-

CEAU LASER DE GRANDE PUISSANCE AVEC UNE CIBLE DE DEUTERIUM SOLIDE. Jour-

nal de Physique Colloques, 1971, 32 (C5), pp.C5b-133-C5b-135. �10.1051/jphyscol:19715101�. �jpa-

00214675�

(2)

El?JDE MPER1MENTAI.E DE L'INIERACTION D'UN FAISCEAU LASE? DE GFiANDE PUISSANCE

AVEC UNE

CIBLE DE DWTERIüM SOLIDE

A.

Saleres, D. Cognard,

F.

Flowr

Comissariat à lfEnergie Atomique, Centre d'~tudes de Limeil

B. P. no

27,

94 -

Villeneuve-Saint-Georges

Résumé

-

En

focalisant le faisceau d'un laser (P = 10" W ; A t = 3,7 ns) sur une cible de deutérium solide, on crée un plasma suffisanunent chaud pour engendrer des réactions nucléaires de fusion. On observe et on étudie, expérimentalement, la réflexion d'une partie de l'énergie laser

par

le plasma ainsi que la variation du nombre de neutrons avec l'énergie laser (variable entre 20 et 80 J).

Abstract

A powerful laser be& (P = 10" W ; bt = 3.7 nsec) is focuad on a solid deuterium stick. The such laser-produced plasma is hot enough to create nuclear fusion reactions. We give experimental data upon reflection energy measurements and scaling law of neutron fluxes versus 20

-

⁸⁰J incident energy.

Le laser à verre au neodyme utilisé, a été décrit récemment dans fl] et [2]. Il délivre des impulsions dont les caractéristiques restent fixes au cours de l'expérience (largeur h mi-hau- teur. 3.75 as, temps de moritée 1,2 ns) ; Les atté- nuateurs disposés après le dernier amplificateur nous permettent de faire varier l'énergie de 20 B 85 J.

Le systéme optique

b2,

désormais clas- sique, permet de focaliser le faisceau laser

sur

la cible de deutérium solide, d'épaisseur 1 m.

produite au centre de la chambre d'interactim

M.

Le plasma très inhomogéne, créé dans la région du foyer de la lentille, réfléchit une partie de l'énergie incidente suivant l'axe du laser, et pro- duit des réactions de fusion dont le flux varie avec l'énergie absorbée.

L'impulsion incidente est amenée sur la cellule 1' après réflexion sur le hublot d'entrée et les miroirs en or M?. M'l. De & m e l'impulsion réfléchie par la cible prélevee par la lame L r o

y

parvient après réflexion çur les miroirs

Mt2

et

%.

Le retard séparant ces 2 impulsions est déterminé

B

300 ps prks, grtce B l'utilisation d'une mEme

cellule CVHC 20,' cathode SI, infrarouge m i e d'un filtre coupant le visible, (temps de montée ,200 ps) et d'un meme oscilloscope (O Z 100 temps de montée 200 ps, balayage

5

ns/division). Par comparaison avec une réflexion sur

un

miroir. nous établissons le synchronisme entre les 2 impulsions ce qui Jus- tifiera plus loin la détermination du coefficient de réflexion en fonction du temps.

2-BILAN D'PJEFGIE WRANT L'INTEFWTION DU FAISCEAU

LASER

AVEC

LE

PLASMA

CREE

La lame Lo prélève les impulsions inci- dentes et réfléchies. Après avoir vérifié la liné- arité des appareils utilisés, nous avons étalonné le système de mesure (calorimktres et cellules correspondantes) ; nous avons utilisé une réflexion sur miroir concave dans le cas de la réflexion et déterminé l'absorption de l'optique de focalisation et du hublot d' entrée. Dans toute l'expérience.

l'optique et la cible restent normales au faisceau laser. L' énergie incidente étant fixée, 1 'énergie réfléchie par le plasma est minium pour une posi- tion bien déterminée de la cible repérée par rapport au point focal (plage utile 200 pm). L'impulsion correspondante, caractéristique de cet optimum, se compose de 2 parties bien distinctes (pig. 2). Au debut de l'interaction le coefficient de rbflexion varie rapidement avec la montée de l'impulsion incidente ; il se stabilise au bout de 2 ns avec le palier de celle-ci. Nous avons étudié la variation

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:19715101

(3)

A. SALERES E T AL.

de ce palier avec l'énergie incidente à 2 $ près.

Lorsque Ei passe de 20

A

60 J, R varie comne Ei 1 /6 et croft de 28 à 42 $.

énergie

transmise

par

la cible représente

3

$ de l'énergie incidente (éner- gie perdue au travers du trbu de la lentille de focalisation). Nous avons vérifié, par ailleurs, que l'énergie réémise en dehors de l'axe,A la fr6- quence laser, était négligeable. Ce dernier point se Justifie en admettant une interaction du laser avec un plasma en expansion sphérique

. ] 5 L

Il en résulte que l'énergie absorbée s'obtient par diffé- rente entre l'impulsion incidente (corrigée des

3

% transmis et de l'absorption du systbme optique et réfléchie (correction analogue),.

é émission

neutronique qui a été mise en évidence. de manière irréfutable, dans une expé- rience précédente C6/, a été corrélée

A

la ré- flexion du plasma. Les maxima corncident. Le flwt neutronique est mesuré

A

l'aide de compteurs GMüF

3,

étalonnés

A

l'aide d'une source

DD

placée au centre de la chambre. Il varie comne le carré de l'énergie absorbée (Fig.

3).

interprétation

cornpléte des résultats ci-dessus suppose l'élaboration d'un modble numé- rique ou analytique

,&JI

qui tienne compte B la fois :

-

de l'absorption et de la réflexion du rayonne- ment

par

les électrons du plasma en expansion, dans la zone où la fréquence laser est trbs proche CU égaîe B la fréquence plasma,

-

du mécanisme de chauffage par conduction électronique,

-

du transfert d'énergie par collisions entre les électrons chauds et les ions froids.

Dans une premibre étape nous avons con- sidéré, pour

un

Instant t, que le profil de densité était exponentiel. Soit ne(r) = nC exp (- r

H)

où nc est la densité

A

la coupure (nce I O 21 cm-3 pour

= 1 ,C6

p )

et r l'abscisse par rapport

A

cette zone de coupure. De plus. la frbuence de collisions est celle trouvée par J. DAWSCN

,&y. ^En

supposant le plasma isotherme (voir L71et la méthode WKB généralisée

flg fiv ^fi27 ^fi9

^naus

donne l'expressian du coefficient de réflexion R :

où d = Te avec Te, température électronique en degré

et

H

exprimé en microns.

Pour une énergie absorbée de 35 J, soit une énergie incidente de 60 3, la valeur expéri- mentaLe est

R - ⁴²

^$. L'expression théorique (1 )

nais

donne *ors Te Z 9.1 o6 ^OK~ o ~ a q u e H = 100

p.

valeur déduite de

m.

Ce m&e modble numérique nous donne T e Z 8,g 10 6 *K. ce qui montre un accord trbs satisfaisant avec l'expression

(1

). Il faut cependant remarquer que le but final demeure l'in- terprétation du profil de l'impulsion réfléchie et de la loi N d Ea 2

.

Si l'an admet une forte conduction électronique, et un régime isotherme f i 4 1 B partir du palier de l'impulsion incidente, on peut interpréter l'évolution de R canne une stabilisa- tion du gradient de densité

vu

par le faisceau laser. Par contre, la premibre partie de l'interaction ( F i g . 2) ~0XTe~poXnirait h la création du plasma et

A

la mise en place d'un gradient de den- sité qui est lié 81 la température maximum atteinte.

Ces résultats préliminaires indiquent qu'il est possible de connahre la température électronique dans la zone d'absorption du faisceau laser. Une mesure du gradient de densité

par une

méthode d'interférométrie, est en cours d'élabora- tion, de m h e qu'une mesure directe de Te par la méthode des absorbants. De plus, le coefficient de réflexion nous permet de déterminer l'énergie absorbée par le plasma ce qui complète les paramb- tres nécessaires A la détermination de la zone de conduction où sont créées les réactions de fusion.

fl] LANGER (P.

), Communication présentée

A

la

"1970 Sixth International Quantum Electronics conference", KYOM, Japan, September 7-1 0, 1970

/2l

i%ûn (F. )

,

Conmiunication présentée aux Jour- nées d'Etude des Applications Industrielles des lasers, Paris, les 19 et 20 novembre 1970

(4)

INTERACTION D'UN FAISCEAU LASER AVEC UNE CIBLE D E DEUTERIUM SOLIDE

d e METZ (J.). Onde E l e c t r i q u e ,

1970, 50, 572.

_*

fi2

BWIN (J.L.) e t a l i i , Nucl. Fusion,

1969, 9. 115

[q

KIDDFX (R.E. )

,

I n t e r n a t i o n a l school of Physics, Enrico Fermi XVIII, course

1969.

/ i noux

(F. ) e t 8111, ~ h y s . Review,

1970, 821.

[73

FLOUX (F. )

,

BILLE33IZE (A. ) Rapport CEA-R-4148 F k v r i e r

l9fl.

bJ

BOBIN (J.L. ), C o r n n i c a t i o n p r é s e n t é e au "Annual Meeting of t h e A.P.S. Plasma Physics Division, WASHWGTON, 4 au

7

novembre

1970,

(Emll. APS

1970, 15)

Cell

/

4 7

^DAWSCN ^(J.^),OEEFMAN

(c.),

Phys. of F l u i d s . 1962,

2 517

/iV

^BAHAR ^(E.), J . of Math. Physics,

1967, &, n09,

-

41J Raciio Waves i n t h e Ionosphere, Emdden Cam- bridge, University Press,

1966.

flq

Plasmas Diagnostics w i t h Microwaves Held- Wharton, John Wiley and Sons,

1965.

0 2 7

^{WAIT (J.}), Pergarnon Press, 2éme ed.

1970.

-4)

U-B (J. ), 'ikése d e 3hme cycle, OFsay

1970.

Cell

\ I

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FIG.

1 -

N

-

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-

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⁶

-

⁴ _N

₌

_neutrons

Ea

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E nergie absorbée FIG.

3

1 O 15 20 25 35 E A