Plasma X-ray emission : Spectroscopy and instrumentation and high-resolution imaging

Résumé : La plupart des plasmas créés en laboratoire dans des expériences relevant, par exemple, de la fusion à confinement inertiel sont des plasmas Hors Equilibre Thermodynamique Local (ETL). La modélisation de la cinétique atomique de ces plasmas est cruciale pour comprendre et diagnostiquer les propriétés radiatives de ces milieux. Il y a une forte demande pour la réalisation d’expériences de spectroscopie X dans lesquelles le plasma est caractérisé par des diagnostics indépendants. Et donc le développement de nouveaux diagnostics pour ces expériences est aussi un enjeu majeur.Dans la continuité d’une série d’expériences précédentes, on a réalisé l’étude spectroscopique de la couche K d’aluminium (Al, ZAl = 13) et de la couche L du bromure de potassium (KBr, ZK = 19, ZBr = 35). Le but est d’obtenir simultanément la mesure de l’émission X du plasma et une caractérisation la plus complète possible des paramètres hydrodynamiques du plasma émetteur. Cependant il a été difficile de reproduire ces résultats expérimentaux par les codes de simulations car les gradients de densité électronique et de température électronique étaient trop importants.Une nouvelle expérience préliminaire a été réalisée sur l’installation ELFIE sur des cibles de Z moins élevé, d’Al et de C pour montrer qu’il était possible de mieux contrôler les paramètres hydrodynamiques du plasma afin que ce dernier soit plus homogène et donc plus facile à modéliser. Suite aux résultats de cette expérience, on a pu ajuster les différentes géométries (diagnostics et cibles) afin de la reproduire sur un plasma de KBr.Dans le cadre du projet Laser MégaJoule (LMJ) des imageurs X devront observer la surface de microballons. Les résolutions à atteindre seront de l’ordre de quelques microns.On a réalisé une étude préliminaire des Lentilles à Zone de Fresnel (LZF) comme composant optique d’un nouveau microscope X à très haute résolution spatiale. On a dans un premier temps réalisé la métrologie des LZF sur des installations synchrotrons (SOLEIL, BESSY II) et laser (EQUINOX) et mesuré des résolutions inférieure à 3 µm pour un faisceau monochromatique. En ajoutant un miroir multicouche (MMC) à la LZF, on réalise une sélection spectrale de 100 eV centré sur la raie Heβ de l’aluminium (1860 eV). Ce système constitue le diagnostic Fresnel Ultra High Resolution Imager (FUHRI) a été utilisé sur l’installation LULI2000 : sa résolution a été mesurée à 3,8 µm en janvier 2015. Le diagnostic a été amélioré en 2016 par l’ajout d’une seconde voie de mesure, appelé FUHRIx2 qui permet de mesurer simultanément la taille de la zone d’émissions de deux longueurs d’onde différentes. Cette expérience est un premier pas pour montrer qu’il est possible de remonter aux paramètres hydrodynamiques grâce à la mesure à haute résolution des tailles de zones émissives des différentes raies d’un plasma.En parallèle, on a aussi testé les LZF sur le LMJ afin d’étudier leur potentiel et définir leurs conditions d’utilisation avec les restrictions d’une telle installation.Most of plasmas created in laboratories for experiments in domains such as inertial confinement fusion are non-LTE plasmas. The modeling of the atomic kinetics of these plasmas is crucial to understand the radiative properties of these environments. There is a strong demand for experiments in which the plasma is characterized by independent X-ray spectroscopy diagnostics. Thus the development of new diagnostics for these experiments is also a major stake.In line with previous experiments, we studied L-shell X-ray mission of aluminum (Al Zal = 13) and potassium bromide (KBr, ZK = 19, ZBr = 35). The goal here is to simultaneously obtain the measurement of the plasma’s X-ray emission and the most accurate characterization possible of the hydrodynamic parameters of this emitting plasma. However it has been difficult to reproduce these experimental results with simulation codes because the electron density and temperature spatial gradients were too important. A new preliminary experiment was performed on ELFIE installation for lower Z targets, Al (Z = 12) and C (Z = 6). Its aim is to show that we were able to better control the plasma’s hydrodynamic parameters in order for it to be more homogeneous and thus easier to model.Following the results of this experiment, we could adjust the various geometries (diagnostics and targets) to reproduce it on a KBr plasma.For the Laser MegaJoule project (LMJ) X-ray imagers will observe the target surfaces. The resolutions requirements will reach the order of a few microns.We conducted a preliminary study of Fresnel zone plate (FZP) as new X-ray microscope with very high spatial resolution. Metrology measurements of FZP were performed on synchrotron facilities (SOLEIL, BESSY II) and laser (EQUINOX): its resolution was measured to be less than 3 microns for a monochromatic beam. Adding a multilayer mirror (MMC) to the FZP provides a spectral selection of 100 eV centered on Heβ line of aluminum (1860 eV). This diagnostic was named Fresnel Ultra High Resolution Imager (FUHRI) and was used on luli2000 installation: we measured a 3.8 microns total resolution in January 2015. The diagnostic was upgraded in 2016 by adding a second measurement channel, so called FUHRIx2, which provides the simultaneous measurement of the size of the emission zone of two different wavelengths. This experiment is a first step to show that it is possible to measure the hydrodynamic parameters of a laser-created plasma with high-resolution measurement of this size for multiple lines.In parallel, LZF the LMJ is also tested to investigate their potential and define their terms of use with the restriction of such a facility