Développement de la diffusion Thomson X comme diagnostic

Développement de la diffusion Thomson X
comme diagnostic pour les plasmas denses
Atelier MHEDOC-PETAL
ILP - 27 oct 2008
B. Barbrel
thèse LULI, Ecole Polytechnique
& DPTA, CEA/DAM/DIF
sous la direction de / en collaboration avec:
2
Introduction
Les plasmas denses et chauds et la FCI
Chemin
thermodynamique
suivi par le
combustible
log T [K]
8
FCI
Plasmas idéaux
6
Warm Dense Matter
T~0.1-100eV
ρ~0.1-10gcc
4
Matière
condensée,
solide/liqui
de
1
2
-3
B. Barbrel
log ρ [g.cm-3]
3
Atelier MHEDOC-PETAL
ILP - 27 oct 2008
3
Introduction
Modèles
Matière
condensée,
solide/liqui
de
Plasmas
•Théorie de la réponse
linéaire
•simulations: MC, MD,
ab initio, atome moyen
Warm Dense Matter
T~0.1-100eV
ρ~0.1-10gcc
WDM=interface
->mélange de modèles
->limites de validité ?
BESOIN DE DONNÉES
EXPÉRIMENTALES!
B. Barbrel
•Thories des liquides
méthodes intégrales
(HNC, …)
•métaux liquides
(séparation nette ebound-free)
•Température de Debye
pour les ions
•…
•simulations: MC, MD,
ab initio
Atelier MHEDOC-PETAL
ILP - 27 oct 2008
4
Méthodes Expérimentales
Paramètres
mesurés/estimés
Radiographie
géométrie
X/protons
& atténuation
VISAR
Vitesse
Densité massique ρ
EOS ou
Pression P
matériau référence
Pyrométrie
équilibre
Spectroscopie
modèle
description φ atomique
modèle
ne, Te, Z*, corrélations
absorption/émission
Diffusion Thomson X
Température T
résolution spectrale/angulaire
B. Barbrel
Atelier MHEDOC-PETAL
ILP - 27 oct 2008
5
Diffusion Thomson X : principe
plasma
diffuseurs: e- libres/e-liés
k1
photon X incident
k=1/λp
conditions plasma
(A, Z, ρ, T…)
distance caractéristique λp
Non-collectif (α<1)
élargissemen
t thermique
θ : angle de
diffusion
transfert d’impulsion
photon X diffusé
θ=160°
α≈0.46
k0
vs
longueur d’écrantage λs
Régime de diffusion : α=λp/λs
pic de Rayleigh
population d’électrons = collection
d’électrons individuels
Mesure de Te ou TF
décalage
Compton
ex:
ne=3.10+23 cm-3
Te=12 eV
E0=2.96 keV
B. Barbrel
Atelier MHEDOC-PETAL
ILP - 27 oct 2008
6
Diffusion Thomson X : principe
plasma
diffuseurs: e- libres/e-liés
k0
k1
photon X incident
θ : angle de
diffusion
k=1/λp
transfert d’impulsion
photon X diffusé
distance caractéristique λp
vs
longueur d’écrantage λs
Régime de diffusion : α=λp/λs
Collectif (α>1)
position de la résonnance :
f(ne)
pic de Rayleigh
θ=30°
α≈1.75
conditions plasma
(A, Z, ρ, T…)
corrélations temporelles au delà d’une
longueur d’écrantage -> ondes plasma
électroniques
résonnance
s plasmon
asymétrie :
f(Te)
B. Barbrel
Mesure de ne et Te
ex:
ne=3.10+23 cm-3
Te=12 eV
E0=2.96 keV
Atelier MHEDOC-PETAL
ILP - 27 oct 2008
Diffusion Thomson X : résolution angulaire
section efficace de diffusion
d 2σ
∝ See (k,ω )
dΩdω
See (k) = f I (k) + q(k) Sii (k)
2
(+Z
F
See0 (k) + Z B Sce (k))
Sii (k) = TF [gii (r) −1]
configuration des ions
distribution des électrons liés et libres autour d’un ion
La mesure du signal DTX à plusieurs angles est sensible aux configurations
microscopiques dans le plasma
effets de corrélations
écrantage
7
8
DTX: Objectifs
Leadership US: programme à Livermore depuis 7-8ans
mené par S. Glenzer
Objectif:
Prévision de design pour l’implantation de diagnostic DTX sur des
expériences type implosion Æ diagnostic du coeur.
5 kJ, 30 ps
PW beam
Ta
foil
Shield
Filter
25-50 keV scattered
Kα radiation
Predicted x-ray Compton scattering
spectra at peak compression
103
Photons detected / keV
Imploding cryogenic
capsule in hohlraum
Ta Kα
TF = 400 eV
Te = 200 eV
Thomson
Scattered
Ta Kα
0
30
courtesy of S. Glenzer
300 g/cc DT
ne = 3x1025
cm-3
40
50
Photon Energy (keV)
60
9
Réalisations expérimentales
Premiers succès expérimentaux
Sur OMEGA:
Mesure (ne,Te) en régime de diffusion collective
d’un plasma de Béryllium préparé par
chauffage radiatif isochore.
Glenzer et al.PRL 98, 065002 (2007)
En France
Programme depuis 4 ans dans le cadre du groupe MHEDOC
thèse A. Ravasio (2007)
Expériences sur LULI 2000 :
DTX sur plasma d’Al choqué
Æ1ère caractérisation indépendante de l’état du plasmas (VISAR / SOP)
Æ1ère mise en évidence d’effets d’ordre local dans la structure ionique
Ravasio et al.PRL 99, 135006 (2007)
Collaborations
G. Gregori
RAL (UK) : DTX sur plasma d’Li choqué
B. Barbrel
Garcia-Saíz et al. Nature Physics (2008)
Atelier MHEDOC-PETAL
ILP - 27 oct 2008
10
Développements actuels
Pico 2000
Utilisation d’impulsions courtes :
Sources X picoseconde permettent de figer
l’évolution hydrodynamique de la cible
mesure résolue en temps
Dévelopement de sources X énergétiques
(>10keV)
cf E. Brambrink
Travail théorique/numérique
L’interprétation des données reste
dépendante du modèle utlisé.
Données
expérimentales
DTX
Modèle
1
Modèle
2
(ρ1,T1,Z*
)
(ρ2,T2,Z
*)
(…)
B. Barbrel
Atelier MHEDOC-PETAL
ILP - 27 oct 2008
11
Conclusions
La DTX est d’ores et déjà un outil expérimental puissant pour investiguer les
propriétés des plasmas denses.
Cependant pour la valider en tant que diagnostic pour les
expériences type implosion:
Besoin de données expérimentales de qualité
Æ sources X intenses et courtes (PICO2000, PETAL)
Contraindre les modèles actuellement utilisés pour l’interprétation
Æ mesures indépendantes
Valider la génération de sources x générées par laser
raisonnablement monochromatiques à quelques 10keV
B. Barbrel
Atelier MHEDOC-PETAL
ILP - 27 oct 2008