Characterization of near-LTE, high-temperature and high-density plasmas produced bu ultra-high intensity lasers

Caractérisation des plasmas chauds et denses produits par interaction laser à ultra-haute intensité d'une cible solide

Vincent Dervieux (1, 2)

1 CEA - Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives
2 LULI - Laboratoire pour l'utilisation des lasers intenses

In the fields of stellar interiors and inertial confinement fusion, determination of dense and hot plasmas opacity is a major goal. Laboratory plasmas, close to both solid density and hundreds of electron-volt temprature are needed to improve theoretical and numerical models. This work is focused on the characterization of such plasmas formed by ultra-high-intensity laser interaction with solid matter. Experimental measurements on aluminium plasmas are presented. They highlight the complexity arising in the interpretation of K-shell x-ray emission spectra, typically used to infer the plasma density and temperature. To reproduce these experimental results, simulations using 3 codes were carried out (PIC code - CALDER, radiationhydrodynamics code - MULTI and atomic population code - SPECT3D). This work concludes on the need to account for many physical phenomena to further characterize the plasma: non-LTE equilibrium, hot electrons, time evolution and spatial gradients. All these issues are addressed and discussed. This kind of experiment opens bright perspectives in the study of very-high-density plasmas. Good temporal and spatial resolution is nevertheless necessary to ensure an accurate characterization of the plasma density and temperature.

Les propriétés radiatives de plasmas denses et chauds conditionnent de nombreux phénomènes rencontrés dans les intérieurs stellaires et dans le cadre de la fusion par confinement inertielle. Afin d’améliorer les modèles dans un régime à la fois proche du solide (de l’ordre du g.cm-3) et de plusieurs centaines d’électron-Volts, des mesures en laboratoire sont aujourd’hui nécessaires. L’étude menée dans cette thèse consiste en la caractérisation de tels plasmas formés par interaction laser à ultra-haute intensité. Dans le cas d’un plasma d’aluminium, les mesures expérimentales obtenues ont permis de mettre en évidence le caractère complexe de l’interprétation d’un spectre d’émission de couche K habituellement utilisé pour estimer la densité et la température du plasma. Pour restituer les résultats expérimentaux, une suite de simulations numériques utilisant plusieurs codes (codes PIC CALDER, hydro-radiatif MULTI et de physique atomique SPECT3D) a été menée. Ces simulations ont permis de conclure sur la nécessité de prendre en compte de nombreux phénomènes physiques pour caractériser au mieux le plasma : les conditions d’équilibre, la présence d’électrons chauds, l’évolution temporelle rapide et les gradients spatiaux. Ces points sont abordés et discutés dans ce travail. Ces études montrent que ce type d’expériences ouvre de vastes perspectives dans l’étude des plasmas à très haute densité. Une bonne résolution temporelle et spatiale est néanmoins nécessaire pour assurer une caractérisation précise de la densité et de la température du plasma produit.

Mots clés: isochoric heating; K-shell spectroscopy; dense plasma

Mots clés: Plasma; chauffage isochore; UHI; spectroscopie

Domaines: Physique des Hautes Energies - Expérience [hep-ex]

Vincent Dervieux. Caractérisation des plasmas chauds et denses produits par interaction laser à ultra-haute intensité d'une cible solide. Physique des Hautes Energies - Expérience [hep-ex]. École doctoral de Polytechnique, 2015. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01205713⟩