Spectroscopie d'absorption X résolue en temps pour l'étude de la matière dense et tiède

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Sous la direction de Fabien Dorchies, Olivier Peyrusse
Thèse soutenue le 27 novembre 2009: Bordeaux 1
L’étude des plasmas denses et tièdes est un domaine qui suscite aujourd’hui l’intérêt de nombreux groupes de recherche de part son large spectre d’applications. Ce régime de la matière, qui recouvre une densité proche de celle du solide et une température allant de 0.1 à une dizaine d’eV, est encore mal connu et présente une grande complexité de part son caractère partiellement dégénéré (électrons) et partiellement corrélé (ions). Afin d’explorer ce régime, nous proposons de le sonder par spectroscopie d’absorption X près des seuils grâce à une source X ultra-rapide (ps), intense, produite par laser. La spectroscopie d’absorption X près des seuils (XANES, EXAFS) est un diagnostic qui permet l’étude de la structure atomique locale de milieux éventuellement non-cristallins (solides, liquides, plasmas denses et tièdes). Elle nécessite l’utilisation de sources X de large bande spectrale ajustée au seuil d’absorption de l’élément étudié (...)
-Spectroscopie d'absorption X
-XANES
-EXAFS
-Plasmas chauds et denses
-Matière dense et tiède
-Chauffage par protons
-Emission X
-Z élevés
-Erbium
-Aluminium
-Expérience pompe-sonde
-Résolution temporelle
The possibility of producing, in a controlled way, matter at solid density (1-10 g/cm3) while maintaining it at temperatures ranging from 0.1 to 100 eV has been for a long time a desired goal. At the boundary between condensed matter and plasma physics, the study of matter in the Warm Dense Matter (WDM) regime involves, nowadays, many laboratories worldwide. This state is still poorly understood and presents a very complex character, being partly degenerated (electrons) and partly correlated (ions). To explore this regime, we proposed to probe WDM by X-ray absorption fine spectroscopy with an ultra-fast X-ray source (ps), produced by ultra intense lasers. X-ray absorption fine spectroscopy, specifically XANES and EXAFS spectroscopy, is a diagnostic tool that allows the study of local atomic structures, even in non-crystalline states (solid, liquid, WDM, plasmas). It requires the use of broadband X-ray sources adjusted on the x-ray absorption edge of studied element (...)
Source: http://www.theses.fr/2009BOR13893/document
Publié le : jeudi 27 octobre 2011
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N d’ordre : 3893
THÈSE
présentée à
L’UNIVERSITÉ BORDEAUX
ÉCOLE DOCTORALE DE SCIENCES PHYSIQUES ET DE L’INGÉNIEUR
par Marion Harmand
POUR OBTENIR LE GRADE DE
DOCTEUR
SPÉCIALITÉ : ASTROPHYSIQUE, PLASMA, CORPUSCULES
*********************
SPECTROSCOPIE D’ABSORPTION X RÉSOLUE
EN TEMPS POUR L’ÉTUDE DE LA MATIÈRE
DENSE et TIÈDE.
*********************
Soutenue le : 27 Novembre 2009
Après avis de :
M. P. Monot Rapporteur
M. A. Rousse Rapp
Devant la commission d’examen formée de :
M. F. DORCHIES Directeur de thèse
M. F. GOBET Président du Jury
M. P. MONOT Rapporteur du Manuscrit
M. O. PEYRUSSE Directeur de thèse
M. P. RENAUDIN Rapporteur du Jury
M. A. ROUSSE Rapp du Manuscrit
M. T. TSCHENTSCHER Membre du Juryà LuluRemerciements
Je remercie tout d’abord Jean-Claude Gauthier pour avoir soutenu ma candidature à
un financement de thèse CNRS-Région et m’avoir ainsi permis d’effectuer ma thèse au sein
de laboratoire CELIA. Je remercie aussi Philippe Balcou, directeur du CELIA pendant
ma thèse.
Je remercie également Antoine Rousse et Pascal Monot, pour avoir été les rapporteurs
de cette thèse, ainsi que l’ensemble des membres du jury, Franck Gobet, Patrick Renaudin
et Thomas Tschentscher. Leur bienveillance et leurs remarques ont été particulièrement
appréciées et constructives.
Je remercie très chaleureusement mes deux directeurs de thèse Olivier Peyrusse et
Fabien Dorchies. Je retiendrais parmi tant d’autres bonnes choses, leur rigueur, leur pa-
tience,leursexplicationsclairesetpédagogiques,trèscomplémentaires.Enplusdem’avoir
appris tant de choses... ils ont été tout deux, dans des styles très différents, de véritables
soutiens scientifiques et humains. Merci encore!
Ce travail a été réalisé au sein de l’équipe SXPI, où bonne humeur et blagues de tous
genres, riment avec travail (excellent par ailleurs...). Je citerais donc parmi les champions
Claude Fourment, Joao Santos, Sébastien Hulin et d’autres jamais en reste, Benjamin
Vauzour, Anna Levy, Pierre Botheron (dont la ”calmitude” m’a été plus que souvent ”sal-
vatrice”...), Bernard Pons et Hervé Jouin (merci pour tous ces conseils avisés). Un grand
merci aussi aux laseristes, mécanos et secrétaires... sans eux le monde (enfin au moins
celui du CELIA) ne tournerait pas.
Ce travail de thèse a été l’objet de collaborations avec le LULI, l’INRS et le CEA.
De nombreuses expériences ont été réalisées au LULI, menées par Séréna Bastiani, Julien
Fuchs, Patrick Renaudin et Patrick Audebert. Ce sont d’excellents souvenirs (et oui même
ces longues soirées pendant les manips de Julien, accompagnées des fameuses pâtes de la
cuisine du 100TW), des amitiés et beaucoup de découvertes qui m’ont été offerts. Merci
encore et toujours aux techniciens et laseristes. Je remercie aussi fortement François Ami-
ranoff qui m’a permis de venir travailler de nombreuses fois dans son laboratoire et qui a
toujours été disponible et chaleureux.
J’ai eu aussi le plaisir d’aller travailler et de maniper au Canada au début de ma thèse,
avec Jean Claude Kieffer, Sylvain Fourmaux, Ludovic Lecherbourg que je remercie, ainsi
que les équipes techniques, pour leur accueil et pour ces fameux repas poutine - tarte au
sucre.Enfin, je tiens à remercier toutes celles et ceux qui ont été particulièrement présents
pendant ces années :
- ceux du CELIA, collègues et amis, Dominique, Yann, Baptiste, Gamiiin, Samy, Thomas,
Julien, Christophe (non je te rassure, je ne crois pas avoir épuisé Fabien... pas faute d’avoir
essayé... il a des ressources le bougre!!), les thésards et stagiaires et puis l’intégralité des
membres du CELIA, pour savoir faire vivre la cafétéria, centre névralgique du laboratoire,
comme il se doit dans le travail et la bonne humeur.
- ceux du LULI, auxquels s’ajoutent à ceux déjà cités Jean Raph (dont les blagues m’ont
permisdem’esclafferderiremêmedanslesjourslespluslongs...),Ana,Moto,JeanMarc...
cela aura été un grand plaisir de venir travailler avec vous.
- ceux du CENBG et affiliés : Fred, Jean Steph, Medhi, Jérome Junior, Pauline, Fazia pour
son soutien... Avec une mention spéciale pour Mathias, mentor spirituel du militantisme
et Jérôme (ah!! le ”vieux” de la CGT) qui m’ont tellement appris...!!
Et puis merci aussi à Clothilde pour avoir été si sage pendant ces longues heures de cor-
rection...
Sans oublier les compagnons de tous les jours Yann, Béata et Ephrem, Marco et
Amy, Aurélie, Bastien et Mathys, Cécile, Bab (encore merci Colloc), Michou (chapeau le
cuisto et surtout merci) qui s’ajoutent aussi aux ”camarades des barricades” (certains déjà
cités...), je pense à Guillaume et Delphine, Marie et tous les autres... on dirait le Sud...
Et puis évidemment les poètes, ceux qui écoutent inlassablement le frottement des
pieds sur le sol, le bruit de la peau qui s’étire ou encore le bruit du sang qui circule, Nina,
Camille, Jean, Grégoire (de leurs petits noms, Paul, Robert, Agnes et Jennifer)... et tous
les autres...sans oublier ce cher Rachid qui m’a donné beaucoup de détermination et de
courage en cette fin de thèse...!
Et puis je voudrais aussi en profiter pour remercier le fameux ”service public”, celui de
l’Université et de la Recherche, peut être dernier lieu où subsiste encore un peu les notions
de liberté intellectuelle, d’émancipation et d’expression, qualités indéniables à l’épanouis-
sement de l’étudiant, du jeune thésard, de l’enseignant et du chercheur. Je lui souhaite
bonne chance...
Et finalement il y a ceux de la vie de tous les jours, ceux qui ont été là à toutes heures :
Joao et ma famille... peut être que les mots ne conviennent plus... alors peut être juste un
immense MERCI...Table des matières
Résumé iii
Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii
Introduction 1
Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1 Spectroscopie X des plasmas denses 17
1.1 Mécanismes d’émission X de plasmas chauds créés par lasers . . . . . . . . 18
1.1.1 Interaction laser - matière : profils de densité et de température . . 18
1.1.2 Processus atomiques mis en jeu dans l’émission X . . . . . . . . . . 19
1.1.3 Émission de couche M de plasmas de Z élevé . . . . . . . . . . . . . 22
1.1.4 Codes de physique atomique et calcul de l’émission X de plasmas
chauds et denses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.2 Spectroscopie d’absorption X de la matière dense et tiède . . . . . . . . . . 27
1.2.1 Spectroscopie fine d’absorption X près des seuils . . . . . . . . . . . 29
1.2.2 Pré-requis expérimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.2.3 Calculs d’un spectre d’absorption XANES . . . . . . . . . . . . . . 35
1.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2 Dispositif expérimental pour la caractérisation spectrale et temporelle
d’une source X créée par laser 43
2.1 Dispositif expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.1.1 Le laser Aurore du CELIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.1.2 Spectroscopie X intégrée en temps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.1.3 Spectroscopie X résolue en temps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.2 Analyse et méthodologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.2.1 Calibration spectrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.2.2 Soustraction du bruit de fond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.2.3 Conversion en nombre absolu de photons . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.2.4 Correction des ordres supérieurs du cristal MICA . . . . . . . . . . 65
2.2.5 des défauts des cristaux KAP . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.2.6 Analyse des spectres résolus en temps . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
iTable des Matières ii
3 Caractérisation et optimisation d’une source X ultra-brève et de large
bande spectrale 75
3.1 Etude spectrale : spectres intégrés en temps . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.1.1 Eléments de Z léger : exemple de l’aluminium . . . . . . . . . . . . 76
3.1.2ts de Z élevé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.1.3 Bilan de l’optimisation spectrale de l’émission X . . . . . . . . . . . 96
3.2 Etudes temporelles : spectres résolus en temps . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.2.1 Cas de l’aluminium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
3.2.2 Cas des éléments de Z élevé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.2.3 Simulation de la durée d’émission : calcul hydrodynamique simplifié
associé au code Averroès - Transpec . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4 Spectroscopie d’absorption X près du seuil K de l’aluminium 117
4.1 Dispositif expérimental adapté à la spectroscopie d’absorption X . . . . . . 118
4.1.1 Premier dispositif expérimental à un cristal . . . . . . . . . . . . . . 120
4.1.2 Dispositif expérimental à deux cristaux . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.1.3 Origine du bruit et optimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.1.4 Analyse du spectre d’absorption X près du flanc K de l’aluminium
froid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
4.2 Aluminium dense et tiède : chauffage par protons . . . . . . . . . . . . . . 140
4.2.1 Expérience de chauffage par protons . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
4.2.2 Qualité des spectres XANES « froids » (discussion sur le bruit lié
aux protons) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
4.2.3 Spectres XANES de l’aluminium chauffé . . . . . . . . . . . . . . . 145
4.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
Conclusion et perspectives 159
Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
Annexe 165
Liste de publications 167Résumé
L’étude des plasmas denses et tièdes est un domaine qui suscite aujourd’hui l’intérêt
de nombreux groupes de recherche de part son large spectre d’applications. Ce régime de
la matière, qui recouvre une densité proche de celle du solide et une température allant de
0.1 à une dizaine d’eV, est encore mal connu et présente une grande complexité de part
son caractère partiellement dégénéré (électrons) et partiellement corrélé (ions). Afin d’ex-
plorer ce régime, nous proposons de le sonder par spectroscopie d’absorption X près des
seuils grâce à une source X ultra-rapide (ps), intense, produite par laser. La spectroscopie
d’absorption X près des seuils (XANES, EXAFS) est un diagnostic qui permet l’étude de
la structure atomique locale de milieux éventuellement non-cristallins (solides, liquides,
plasmas denses et tièdes). Elle nécessite l’utilisation de sources X de large bande spectrale
ajustée au seuil d’absorption de l’élément étudié.
Ma thèse s’est déroulée en plusieurs étapes. Dans un premier temps, nous nous sommes
attachés à développer une source X ultra-brève (quelques picosecondes) créées par laser
et adaptée à la spectroscopie d’absorption X de l’aluminium. Nous avons réalisé une telle
source X en utilisant le rayonnement de couche M de plasmas d’éléments de Z élevé,
produits par une impulsion laser femtoseconde focalisée sur une cible solide : plus particu-
lièrement issu du faisceau de transition 4f 3d. Le spectre d’émission de cette source a été
étudié autour du flanc K de l’aluminium, c’est-à-dire dans la gamme de 1.50 à 1.75 keV.
Une série d’expériences, consistant en des mesures spectrales et temporelles de l’émission
X, a été effectuée avec un laser kHz (5 mJ, 30 fs), focalisé sur différentes cibles solides :
Sm, Gd, Dy, Er et Yb. Les résultats ont été comparés avec des simulations Averroès -
Transpec (code collisionnel - radiatif hors équilibre thermodynamique local, couplé à un
traitement de la physique atomique en superconfigurations [1]). Après optimisation, le
rayonnement X étudié présente un spectre large-bande dans la gamme énergétique sou-
haitée et une durée d’émission de 4 ps. Les intensités X atteintes sont de l’ordre de
7
quelques 10 photons par tir, par eV et par sr [2], soit un rendement de 1‰ de l’énergie
laser émis dans la gamme 1.50 - 1.75 keV.
Dans un second temps, nous avons développé un spectromètre d’absorption X adapté
aux caractéristiques des sources X créées par laser. Ce dispositif consiste en la mesure
simultanée du spectre transmis par un échantillon d’aluminium et du spectre dit de réfé-
rence qui consiste à mesurer directement le rayonnement X émis par la source à chaque tir
laser.Cettemesurepermetensuitedecalculerlatransmissionetdoncl’absorptioncorrigée
des fluctuations tir à tir de la source X. Des spectres d’absorption ont été enregistrés près
du seuil K d’un échantillon froid d’aluminium (20°C), en accumulant quelques milliers de
tirs laser (soit quelques secondes seulement à 1 kHz). Les structures XANES sont claire-
ment identifiées et résolues avec un niveau de bruit inférieur à 1 % [3, 4]. De tels spectres

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