Laboratoire Francis PERRIN
URA CNRS-CEA 2453
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Des plasmas stellaires aux plasmas de laboratoire : Application aux mesures d’opacité dans le domaine X et XUV. Thèses ou HDR SPAM
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11/01/2011 à 14h30
Amphi. Bloch, Bât. 774, Orme des Merisiers CEA-Saclay
Guillaume Loisel

20110104SoutenanceThese_GLOISEL.pdf (72 Ko)

Manuscrit de la thèse


Résumé :


Cette thèse s'inscrit dans le contexte général des propriétés radiatives de la matière à haute densité d'énergie, où une partie importante des échanges d'énergie passe par l'interaction rayonnement-matière. Mes études portent sur l'opacité spectrale, un paramètre fondamental pour la modélisation des intérieurs stellaires. Il constitue une observable déterminante pour tester les descriptions théoriques de la physique des plasmas chauds et denses.


Plus particulièrement, je me suis investi dans l'étude expérimentale des opacités de plasmas à l'équilibre thermodynamique local pour des températures de quelques dizaines d'eV, soit quelques 100 000 K) et quelques mg/cm3 en densité. Les plasmas sont obtenus dans des conditions aussi homogènes que possible en utilisant le chauffage radiatif d'une cavité irradiée par un laser de haute énergie, 100-300 J. À un instant choisi, nous radiographions ce plasma par une source générée à l’aide d’un second laser de courte durée, puis, au moyen d'un spectromètre spécifique, obtenons la transmission des plasmas.


Dans les deux premières expériences réalisées au LULI, nous avons exploré le domaine des X autour du keV, et observé les transitions absorbantes 2p-3d ou 3d-4f d'éléments de numéro atomique moyen et élevé, soit autour de 30 et de 60. À paramètres plasmas similaires, les structures de la transmission spectrale dépendent fortement du numéro atomique, et peuvent être directement comparées aux résultats de simulations théoriques de physique atomique.


Par ailleurs, l'astrophysique stellaire nécessite aussi de mesurer précisément et de manière bien caractérisée les opacités du groupe du fer (Mn, Cr, Fe, Ni) dans le domaine des XUV (50-200 eV) pour une température de l'ordre de 200 000 K. Dans ces conditions, les différents modèles numériques utilisés dans la communauté astrophysique présentent de grandes divergences selon les calculs. Une troisième expérience, était dédiée à cette étude. Dans chaque cas, je présenterai une analyse des résultats obtenus.


L’utilisation d’impulsions de radiographie courtes et d’un chauffage à deux cavités constituent une première pour ce type d’expérience.


Mots-clés : Expériences laser-plasma – spectroscopie d'absorption – diagnostiques X et XUV – astrophysique stellaire – physique atomique dans les plasmas.





From stellar plasmas to laboratory plasmas : Application to X and XUV opacity measurements


Abstract:


The general context of this thesis is the one of radiative properties of high energy density matter. Energy densities involved (>1011 J/cm3) implies that a large part of energy exchange goes through radiation-matter interactions. My studies deal with spectral opacity, a fundamental parameter for modelling stellar interiors and constitute a propitious observable to experimental tests of theoretical descriptions of hot and dense plasmas physics. My PhD activities are centred on the experimental study of opacities of plasmas at local thermodynamic equilibrium for temperature conditions of a few tens eV (a few 100 000 K) and a few mg/cm3 in matter density. Plasmas are obtained in conditions as homogenous as possible using the radiative heating of a laser-irradiated cavity. Heating is provided though a laser beam of high energy (100-300 J) and with relatively long pulse duration of a few nanosecond. For such measurements we could benefit from the LULI (Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses) lasers configuration coupling the nanosecond beam with a picosecond one used to perform on a short duration the measurement of the plasma transmission. The use of short pulse laser to produce a short time radiography beam was a first achievement for this kind of experience. In the spectral range of keV photons, absorbing transitions 2p − 3d or 3d − 4f of elements of moderate or high atomic number have been probed. They present absorption structures which shape results mainly of the competition between spin-orbit splitting and statistical broadening effects. It appeared that this competition depend strongly on the atomic number Z. Thus for similar plasma parameters we explored opacities of Iron, Nickel, Copper and Germanium (Z of about 30) in a first series of measurement and the one of Barium, Samarium and Gadolinium (Z of about 60) in a second campaign. Stellar astrophysics necessitate as well to measure precisely and in well-characterised condi- tions, opacities of the so-called "Iron-group" (Cr, Fe, Ni and Cu) in the XUV domain (50 − 200 eV). These opacities are at the origin of the excitation in stellar radiative envelops of pulsating stars, massive and of spectral type B for a temperature of the order of 200 000 K. In these conditions, Rosseland means show clear differences between computations used within the astrophysical community and do not allow to interpret oscillations and observed frequencies in a univocal fashion. To allow comparisons with spectral computation, I participated to the develop- ment of a new experimental scheme using two cavities which goal was to improve homogeneity of sample heating. Finally, I will show my analysis of plasma parameters for this specific setup. I analysed the case of the Nickel absorption measured for the first time in this spectral range. For each case I will present the analysis of the obtained results.


Mots-clés anglais : Laser-plasma experiments – absorption spectroscopy – X and XUV diagnostics – stellar astrophysics – plasma atomic physics.