IONISE METTANT EN OEUVRE UNE SOURCE DE RAYONNEMENT

ELECTROMAGNETIQUE A DUREE ULTRACOURTE

Domaine de l' invention

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de caractérisation d'un milieu ionisé mettant en oeuvre une source de rayonnement électromagnétique à durée ultracourte.

Etat de la technique antérieure

Pour mesurer et connaître les propriétés thermodynamiques, électroniques et physico-chimiques d'un milieu ionisé à durée de vie transitoire et à caractère évolutif, tel qu'un plasma laser, un plasma de combustion de tuyère, ou un plasma de soudure à l'arc ou à laser, on met généralement en oeuvre des moyens de diagnostic et de spectroscopie faisant appel à l 'éclairement de ce milieu par une source de rayonnement électromagnétique de courte longueur d'onde, de type radiation X ou de radiation externe, appelée parfois source auxiliaire. Un tel procédé nécessite la mise en oeuvre d'une source de rayonnement électromagnétique intense capable d'illuminer le milieu ionisé, ou plasma, à connaître pendant sa phase évolutive transitoire. Les caractéristiques de ce rayonnement-source sont choisies de telle manière que les mesures, soit de la partie réfléchie, soit de la partie transmise de ce rayonnement électromagnétique, puissent révéler, après interprétation, les

caractéristiques physiques temporelles spécifiques du milieu, condensé ou gazeux, ionisé qui a été illuminé.

Comme décrit dans le document référencé [1] en fin de description, on peut utiliser à cet effet une source de rayonnement puisé soit cohérent, de type rayonnement laser, soit incohérent, de type rayonnement X. Ce rayonnement peut avoir pour origine la source même de rayonnement laser qui génère le plasma à étudier. Dans le cas d'une source à rayonnement laser, le moyen de diagnostic est un dispositif de radiographie par flash X. Le rayonnement soit réfléchi, soit transmis, peut être focalisé de manière diffractive afin de délivrer une image du milieu ionisé par l'intermédiaire d'une caméra. Dans le cas où le rayonnement-source est un rayonnement laser cohérent, la caractérisation du rayonnement transmis par le milieu de plasma ionisé permet de mettre en oeuvre une mesure de polarisation rotatoire magnétique pour calculer les gradients spatiaux de densité et de température de ce milieu, comme décrit dans le document référencé [3] .

Par ailleurs, comme décrit dans le document référencé [2], un rayonnement électromagnétique de type radiation X, émis de manière transitoire mais répétitive, peut être détecté, discriminé temporellement (échantillonné) et enregistré. Ces trois opérations peuvent alors être réalisées par un seul dispositif d'échantillonnage à autocorrélation optoélectronique. Dans la méthode de mesure, résolue en temps, couramment employée pour l'étude des phénomènes physico-chimiques transitoires, dénommée "méthode laser pompe-sonde", on module temporellement le phénomène généré par un faisceau-pompe laser au moyen d'un dispositif de modulation opto-mécanique, ou opto-

acoustique, selon une fréquence de répétition fixe, et en parallèle au moyen du faisceau-sonde laser générant le phénomène de commutation. On extrait alors du signal délivré par le dispositif détecteur à échantillonnage la composante spectrale correspondant à cette fréquence.

A des fins plus spécifiques de diagnostic monocoup de plasma laser une méthode de mesure résolue en temps, de type pompe-sonde, n'est pas applicable par principe. Jusqu'à présent, une méthode de mesure résolue en temps utilise plutôt un dispositif d'échantillonnage. De plus la mesure, bien qu'échantillonnée temporellement, ne concerne qu'une mesure d'impulsion globale de rayonnement électromagnétique moyennée spatio-temporellement et émise directement par les particules constituant, transitoirement, tout le milieu, condensé ou gazeux, ionisé à étudier. Pour qu'il y ait mesure, il est nécessaire qu'il y ait émission. Or une zone très localisée du milieu ou gaz ionisé n'émet pas systématiquement de rayonnement électromagnétique détectable, celui-ci pouvant être absorbée par le milieu ionisé environnant. Même si ce dispositif permet de discriminer avantageusement, et avec une résolution temporelle élevée, l'impulsion de rayonnement direct émise, les informations recueillies par ce seul élément de diagnostic ne restituent qu'une vision moyenne d'ensemble de l'état physique du milieu, bien que le signal soit résolu en temps. Pour améliorer la compréhension des phénomènes physiques des milieux, condensés ou à gaz, ionisés, un tel système monocoup nécessite un élément de diagnostic complémentaire capable de restituer séparément l'aspect cartographique de l'émission de rayonnement.

De plus, ce système de l'art antérieur présente une limitation importante : Le signal à détecter par le dispositif à échantillonnage ne peut pas être modulé temporellement. En effet, un niveau de bruit important du système affecte la sensibilité de la mesure par échantillonnage et limite l'application de ce système à la détection et à la mesure de signaux d'amplitude élevée, qui ressortent nettement au-dessus du bruit du système électronique associé.

L'invention a pour objet un procédé et un dispositif de caractérisation d'un milieu ionisé dans lequel on puisse :

- acquérir une connaissance précise et résolue en temps (historique des processus) de l'évolution spatio-temporelle des caractéristiques physiques de ce milieu à durée de vie transitoire et à caractère évolutif dans un état hors-équilibre thermodynamique ; - déterminer des paramètres transitoires de durée ultracourte ; tout en palliant les inconvénients des dispositifs de l'art antérieur, définis ci-dessus.

Exposé de l'invention

L'invention concerne un procédé de caractérisation d'un milieu ionisé en mettant en oeuvre une source laser de rayonnement électromagnétique à durée ultracourte caractérisé en ce que :

- on utilise deux faisceaux laser synchronisés de rayonnement : un faisceau principal et un faisceau secondaire dont le fonctionnement est synchronisé à celui du dispositif générateur du milieu ionisé à caractériser ;

on génère par impact du faisceau principal sur une cible métallique un faisceau de rayons X ;

- on module et on distribue temporellement ce faisceau de rayonnement X en un premier train d'impulsions X réparties et distribuées régulièrement dans le temps ;

- on dirige ces impulsions vers le milieu ionisé ; - on détecte le rayonnement X réémis par le milieu ionisé ;

- on discrimine le signal généré dans une ligne de transmission à l'aide de la méthode d'échantillonnage temporelle par autocorrélation comprenant l'illumination successive d'éléments photoconducteurs distribués le long de cette ligne de transmission par un second train d'impulsions, de même distribution temporelle que le premier train d'impulsion, issu du faisceau secondaire ; - on effectue la mesure et l'enregistrement des signaux délivrés.

Avantageusement on utilise deux faisceaux lasers principal et secondaire dérivés d'un même faisceau laser de durée ultracourte.

L'invention concerne également un dispositif de caractérisation d'un milieu ionisé, caractérisé en ce qu'il comprend :

- une source de rayonnement électromagnétique délivrant un faisceau laser de rayonnement électromagnétique à durée ultracourte ;

- un moyen de séparation de ce faisceau en un faisceau principal et un faisceau secondaire ;

- un moyen d'interaction recevant le faisceau principal et générant un faisceau de rayons X ;

- un moyen séquenceur de ce faisceau de rayons X délivrant un premier train d'impulsions qui est envoyé dans le milieu ionisé ;

- un moyen séquenceur du faisceau secondaire délivrant un second train d'impulsions de même distribution temporelle que le premier train d'impulsions ;

- un moyen de détection du faisceau réémis par le milieu ionisé et de discrimination du signal généré dans une ligne de transmission d'un autocorrélateur optoélectronique à échantillonnage temporel résultant de l'illumination successive d'éléments photoconducteurs distribués le long d'une ligne de propagation par le second train d'impulsions ;

- un moyen de mesure et d'enregistrement des signaux délivrés par chaque ligne d'échantillonnage connectée aux photocommutateurs.

Dans un exemple de réalisation avantageux du dispositif de l'invention, le moyen d'interaction est un matériau-cible métallique compris parmi les matériaux suivants : titane, nickel, zinc ou tungstène qui, sous l'effet du faisceau principal focalisé par une lentille, génère un faisceau de rayons X.

Un miroir de forme sphérique, réflecteur du rayonnement X, est situé entre le moyen d'interaction et le moyen séquenceur du faisceau de rayons X.

Le moyen séquenceur du faisceau de rayons X est un miroir composé de couches métalliques réflectrices empilées régulièrement et orientées de manière à délivrer un faisceau de photons X composé

d'un train d'impulsions X espacées temporellement régulièrement .

Plusieurs moyens optiques réflecteurs sont disposés entre le moyen de séparation de faisceaux et le moyen de détection pour modifier le trajet du faisceau secondaire.

Le moyen de détection de rayonnement est un composant optoélectronique de technologie micro¬ électronique type autocorrélateur, associant un substrat isolant, un matériau photoconducteur sous un impact laser de type rapide sur lequel est déposé une ligne de transmission métallique du signal électrique émis par le détecteur sous l'impact des rayons X secondaires réémis par le milieu ionisé. Avantageusement le substrat isolant est un matériau saphir ou arseniure de gallium ou tellurure de cadmium (CdTe) ; le matériau photoconducteur est un matériau arseniure de gallium ou tellurure de cadmium basse température ; la ligne de transmission est en aluminium.

La présente invention concerne donc un dispositif de caractérisation d'un milieu ionisé transitoire, résolue en temps. Elle permet de diagnostiquer l'état physique d'un milieu ionisé de type plasma à chaque moment de son chauffage. Elle permet de détecter l'apparition de micro-instabilités qui perturbent ce chauffage. L'invention s'applique notamment aux études :

- de la matière condensée par radiographie éclair (domaine de la détonique) ;

- des gaz ionisés ;

- des claquages dans les gaz (bougies, éclateurs, foudre) ;

- de la combustion dans les tuyères de réacteurs en aéronautique ; - du plasma de soudure laser ou à l'arc ;

- du plasma de fusion magnétique ;

- du plasma de fusion par confinement inertiel ;

- en physique spatiale : étude de l'ionosphère et de la magnétosphère.

Brève description des dessins

la figure illustre schématiquement le dispositif de l'invention.

Exposé détaillé de modes de réalisation

Le dispositif de l'invention comporte les éléments suivants, représentés sur la figure 1 :

- une source intense de lumière laser puisée permettant de générer deux faisceaux laser synchronisés de rayonnement ; un faisceau principal 10 et un faisceau secondaire 12 ; - un matériau-cible 11 composé d'un matériau métallique, par exemple de type titane, nickel, zinc ou tungstène, qui sous l'effet du faisceau principal 10, focalisé par une lentille 13, génère un rayonnement intense de radiation X 15 dont les caractéristiques énergétiques (et spectrales) dépendent du matériau-cible sélectionné ;

- un miroir 16, de forme sphérique par exemple, réflecteur du rayonnement X 15 de manière à le diriger et à la focaliser sur le volume de l'espace où se trouve situé le milieu ionisé ;

- un miroir 18 composé de couches métalliques reflectrices 19 empilées régulièrement et orienté de manière à réfléchir le rayonnement X 15, selon un angle spécifique dépendant de l'angle d'incidence sous la forme d'un faisceau de photons X composé d'un premier train 20 d'impulsions X espacées régulièrement d'un délai temporel correspondant au temps de propagation aller et retour du faisceau incident dans chaque empilement de couches : ce faisceau de photons X 20 résultant de la réflexion sur le miroir multicouche 18 est dirigé vers le milieu ionisé 21 à diagnostiquer ;

- un dispositif 22 permettant le dédoublement de la ligne optique du faisceau laser de durée ultracourte (soit dans le régime femtoseconde, quelques 10 ^~15 s, soit de durée beaucoup plus brève que la durée de vie du milieu ionisé à diagnostiquer) et d'obtenir ainsi le faisceau principal 10 et le faisceau secondaire 12 ; - une série d'optiques de reprise 23, 24,

25 et 26 de la deuxième ligne de transfert 12 du rayonnement laser ;

- un séquenceur 37 de faisceau laser de type Michelson délivrant un second train d'impulsions de même distribution temporelle que le premier ;

- un dispositif opto-électronique (30, 31) à la fois détecteur 30 du rayonnement X réémis par le milieu ionisé 21 et autocorrélateur optoélectronique 31 comprenant une ligne de transmission 34 et plusieurs lignes d'échantillonnage 32 pouvant être reliées à celle-ci par des photocommutateurs 33,

- un ensemble de lignes à retard optique 38 associées chacune à un élément photoconducteur 33 ;

- un système électronique de mesure 36 de type amplificateur de charge par exemple et

d'enregistrement des signaux délivrés par chaque ligne d'échantillonnage 32 connectée aux photocommutateurs 33.

Le dispositif optoélectronique 31 de technologie micro-électronique associe un substrat isolant, par exemple en un matériau tel que le saphir, l'arseniure de gallium, le tellurure de cadmium, un matériau photoconducteur (sous l'impact laser) de type rapide, par exemple en arseniure de gallium basse température, sur lequel est déposée la ligne de transmission métallique 34, le matériau utilisé étant par exemple l'aluminium, du signal électrique émis par le détecteur 30 sous l'impact des rayons X secondaires 35 réémis par le milieu ionisé 21. Sur la figure ces éléments photoconducteurs

33 sont formés chacun par une discontinuité entre chaque ligne d'échantillonnage 32 et la ligne de transmission 34. Lorsque ces photoconducteurs sont frappés par un faisceau laser il y a création de conduction pendant une fraction de picoseconde pendant laquelle on peut détecter un signal.

Ainsi, le dispositif optoélectronique 31 est un microsystème capable d'analyser des impulsions jusqu'à 50 Ghz. Ce dispositif est un composant intégré, réalisé dans une technologie de type microélectronique, et comprenant éléments photoconducteurs et lignes microrubans. Il est constitué d'une ligne de propagation principale 34 où est envoyé le signal unique à échantillonner, et de n lignes d'échantillonnage 32 disposées en "peigne" le long de cette ligne. Entre chacune de ces lignes d'échantillonnage et la ligne principale, se trouve un plot ou une couche de matériau photoconducteur 33. Le principe de ce dispositif est relativement simple et rappelle un peu celui de la photographie : à l'instant

de propagation où le signal est en "retard" des lignes d'échantillonnage, une impulsion laser ultra-rapide éclaire et ferme les n interrupteurs que constituent les éléments photoconducteurs. Les signaux ainsi prélevés sont ensuite stockés dans une capacité et lus par une électronique dédiée.

Comme représenté sur la figure, chaque ligne 32 peut être reliée à un élément CCD 40 connecté à un tiroir chargé de stocker les informations dans un registre.

Le détecteur 30 est un détecteur sensible aux rayons X, très rapide. Il comprend un matériau photoconducteur dont les porteurs ont une durée de vie inférieure à la picoseconde ; ce peut être, par exemple, du CdTe, GaAs,Si dopé oxygène sur saphir ou diamant.

Le dispositif optoélectronique 31 peut, également, être un dispositif à contact glissant dont le principe de fonctionnement est décrit dans le document référencé [4].

Le dispositif de l'invention comprend donc deux faisceaux laser 10, 12 synchronisés, car dérivés par dédoublement d'un même faisceau laser 10 de durée ultracourte (en femtoseconde, c'est-à-dire quelques 10 ^{~ 15} s) , lui-même déclenché par le générateur principal du milieu ionisé 21 déclenchant :

- d'une part l'illumination du milieu ionisé 21 par une série d'impulsions ultracourtes 20 réparties et distribuées dans le temps, de rayonnement électromagnétique puisé auxiliaire à courte longueur d'onde de type radiations X ; et,

- d'autre part l'activation d'une série d'éléments photoconducteurs 33 par le second train d'impulsions laser de quelques femtosecondes de même

distribution temporelle, dans la gamme une picoseconde à une nanoseconde, que le train 20 d'impulsions de radiations X.

Ces caractéristiques permettent de pallier au caractère monocoup (une seule impulsion laser possible) de ce dispositif de caractérisation du milieu ionisé 21.

Le second train 35 d'impulsions laser de quelques femtosecondes résulte non seulement de la distribution spatiale des photocommutateurs 33 mais peut aussi résulter d'une distribution temporelle du faisceau laser atténué délivré par le miroir 22, obtenue en faisant transiter le rayonnement laser de départ dans un dispositif séquenceur 37, par exemple du type Michelson suivi éventuellement d'un amplificateur de faisceau.

L'échantillonnage d'une part de la source X et d'autre part du train d'impulsions laser de quelques femtosecondes, activant la série d'éléments photoconducteurs 33, correspond à la mise en oeuvre d'une mesure de type pompe-sonde selon un nouveau procédé et avec une nouvelle technologie d'autocorrélation optoélectronique. En effet, la modulation du phénomène de pompe ou de sonde n'est plus de type actif mais passif grâce :

- d'une part à l'adjonction d'un miroir réflecteur X multicouche 18 qui joue le rôle de séquenceur en délivrant un train d'impulsions X ultracourtes 20 à un taux de répétition supérieur à celui de tous les dispositifs modulateurs existants ;

- d'autre part par l'adjonction d'un séquenceur optique 37 de faisceau laser.

Le procédé de l'invention, qui est un nouveau procédé d'application de la méthode pompe-

sonde, a pour avantage de supprimer l'imprécision spatio-temporelle de l'art antérieur car il permet de sonder de manière discriminante le milieu ionisé de manière spatio-temporelle.

Si on analyse à présent le fonctionnement du procédé de l'invention : on dispose d'un milieu ionisé 21 de type plasma, ou gaz ionisé, par exemple d'un microplasma (cas du plasma laser à confinement inertiel) . Au préalable une source laser émet un faisceau 10 dont la durée d'impulsion est inférieure à la durée de vie du plasma. Ce faisceau laser 10 frappe une cible métallique 11 et produit un flux 15 de radiations X intense et brève. Ce flux de radiations 15 est dirigé vers le milieu ionisé 21 à étudier et à diagnostiquer. Ce milieu 21 renvoie une partie de ce flux de radiations X vers un récepteur détecteur 30. Ce dernier analyse temporellement le signal reçu en fonction du faisceau laser qui génère le flux. De plus, l'invention consiste dans la mise en oeuvre simultanée :

- d'un faisceau laser de puissance à durée ultracourte dont la plus grande partie de l'énergie, donc de la puissance, est destinée à générer, par impact sur une cible métallique 11, un faisceau 15 de rayons X et, dont l'autre faible partie 12 de l'énergie sert à piloter l'échantillonnage du dispositif optoélectronique 31 ;

- d'un miroir multicouche 18 à radiations X destiné :

• à diriger le faisceau réfléchi vers le milieu ionisé à illuminer,

• à moduler et distribuer temporellement le flux de rayonnement X primaire 15 en une pluralité d'impulsions X 20

retardées régulièrement dans le temps. En effet, la propagation et les réflexions successives des impulsions X sur les couches régulièrement empilées a pour finalité de moduler temporellement en allongeant le temps d' illumination X du milieu ionisé par impulsions X discriminées. A partir des coefficients d'absorption et de réflexion des couches du miroir 18, un rapide calcul permet de choisir l'espacement et le nombre des couches reflectrices du miroir X en fonction de l'allongement de la plage temporelle recherchée. Sachant que n fois 100 femtosecondes supplémentaires corres¬ pondent à chaque couche espacée de 30 μ m (n étant l'indice du matériau à la longueur d'onde moyenne des radiations X) , il est possible de sélectionner l'écart temporel entre les illuminations de chaque microsource X ; - d'un dispositif optoélectronique 30, 31 qui a pour fonction à la fois : • de détecter le rayonnement X réémis par le milieu ionisé, et • de discriminer le signal généré par ce même détecteur dans la ligne de transmission, par un autocorrélateur à échantillonnage temporel résultant de l'illumination successive des éléments photoconducteurs (distribués le long de la ligne de propagation) par le faisceau laser secondaire 12.

REFERENCES

[1] "Physics of Laser Fusion" de H.G. Ahalstrôm ("Diagnostics of Experiments on Laser Fusion Target at Lawrence Livermore National Laboratories ; UCRL 53106, janvier 1982, volume 2, chapitre 2, paragraphe c, pages 69 à 129, "X Rays Diagnostics")

[2] "Etude et réalisation d'un dispositif opto- électronique d'échantillonnage pour l'analyse d'impulsions brèves et uniques" (Thèse de docteur ingénieur à l'université Joseph Fourier, Grenoble I, Spécialité : optique, opto-électronique et micro-ondes, présentée par Vincent Gerbe, soutenue le 24 septembre 1993)

[3] "Faraday-Rotation Measurements of Megagauss

Magnetic Fields in Laser-Produced Plasmas" de J.A.

Stamper et B.H. Ripin (Physical Review Letters, volume 34, n° 3, pages 138-141, 20 janvier 1975)

[4] "Mise au point d'un banc de test d'un générateur optoélectronique d'impulsions électromagnétiques ultracourtes" de Christophe Rivière (Projet de fin d'études, Ecole Nationale Supérieure de Physique de Grenoble ; Spécialité : Instrumentation physique effectué au service de physique expérimentale CEA/CESTA.- Département technique, du 1er mars au 15 Septembre 1994) .