Lecherbourg, Ludovic (2007) X-ray ultra-fast absorption spectroscopy to study the matter in transient regime. PhD thesis LULI, LULI, EP/X p.164.

Alternative Locations: http://www.imprimerie.polytechnique.fr/Theses/Files/Lecherbourg.pdf

Abstract

In this work, we study the physics of dense matter, plasmas or solids, using x-ray absorption spectroscopy. Throug!

h the use of sources produced by laser-matter interaction, we have measured the absorption spectra of aluminum and bromine plasmas, as well as those of vanadium dioxyde (VO2). The measurement of absorption coefficients allows us to probe the dense matter and to study its properties. The experiments are carried out following the same principle : they use the same experimental set-up, called pump-probe.



When the matter is dense, the absorption properties of an atom are modified by the surrounding environment. In a plasma, it is mainly the bound- bound transitions which are altered : the shapes of those spectral rays are modified. In a solid, the position of the neighbouring atoms in relation to the absorbing atom modify the structure of absorption levels (bound-free transition). The study of this structure allows us to measure the parameters of the material, and provides information such as the state of the electronic band or the interatomic gaps.



The experiments carried out at the LULI have allowed us to probe plasmas in the relatively unknown regime of the Warm Dense Matter. One of the key parameters is that the plasma is caracterised independently (FDI diagnostic). It allows for a better comparison of the measured absorption against a calculation made with the numerical model OPA-S. The experiments carried out at INRS have led to the realisation of an experimental system having the characteristics which allow the study of the dynamics of solids showing ultra-fast phase transition. For those experiments, we have used vanadium dioxyde as a model system allowing us to test the feasibility of the method.

Table of content

Résumé

Remerciement

Liste des figures

Liste des tableaux

1 Introduction

1.1 Contexte

1.1.1 Principe de la spectroscopie d’absorption X par laser

1.1.2 Matière en régime transitoire

1.2 Objectifs

1.2.1 Absorption de plasma dense et chaud (LULI)

1.2.2 Transition de phase ultra-rapide dans du VO2 (INRS)

1.3 Principe de l’expérience

1.4 Méthodologie

1.5 Organisation du manuscrit

2 Généralités sur l’absorption du rayonnement

2.1 Absorption d’un photon

2.1.1 Transition lié-lié

2.1.2 Transition lié-libre

2.1.3 Transition libre-libre

2.2 Influence du milieu

2.2.1 Spectres de raies

2.2.2 Décalage du seuil d’absorption

2.2.3 Phénomène autour des seuils : XAS (EXAFS & XANES)

2.3 Conclusion

3 Moyens expérimentaux et numériques

3.1 Lasers

3.1.1 Principe d’un laser CPA

3.1.2 Le laser 100 TW du LULI

3.1.3 Les lasers de l’INRS

3.2 Spectromètres

3.2.1 Cristal tronconique

3.2.2 Réseau concave à champ plan

3.3 Détecteurs

3.3.1 Caméra CCD

3.3.2 Caméra à balayage de fente

3.4 Diagnostique plasma : FDI

3.4.1 Principe

3.4.2 Le faisceau sonde

3.4.3 Interféromètre de Mach-Zehnder

3.4.4 Information temporelle

3.4.5 Extraction de l’information

3.5 Simulation hydrodynamique : MULTI-FS

3.5.1 Description du modèle

3.5.1.1 Les équations hydrodynamiques

3.5.1.2 Résolution des équations de Maxwell

3.5.1.3 Conductivité électrique haute fréquence

3.5.1.4 Chauffage par conduction thermique

3.5.1.5 Relaxation électron-ion

3.5.1.6 Les équations d’état

3.5.2 Exemple d’une simulation d’une feuille d’aluminium

3.6 Simulation de physique atomique

3.6.1 TRANSPEC

3.6.2 OPA-S

3.7 Conclusion

4 Spectroscopie d’absorption X de plasmas denses

4.1 Introduction

4.2 Caractéristiques expérimentales

4.2.1 Géométrie

4.2.2 Structure de l’échantillon sondé

4.2.3 Caractérisation de la source X

4.2.4 Mesure de la densité surfacique

4.3 Caractérisation du plasma

4.3.1 Mesure indirecte de la densité et de la température

4.3.1.1 Validation du modèle 1D MULTI-FS

4.3.1.2 Paramètres de la simulation

4.3.1.3 Intégration temporelle pendant 4 ps

4.3.2 Effet temporel

4.4 Absorption d’un plasma d’aluminium

4.4.1 Analyse spatiale de spectres : dépendance en énergie

4.4.2 Évolution temporelle des spectres

4.4.2.1 Présentation des résultats expérimentaux

4.4.2.2 Présentations des spectres théoriques

4.4.2.3 Discussions pour les temps intermédiaires

4.4.2.4 Discussions pour les temps extrêmes

4.4.3 Récapitulatif des plasmas sondés

4.5 Absorption d’un plasma de brome

4.6 Conclusion

5 Spectroscopie d’absorption X d’un solide

5.1 Introduction

5.2 Le dioxyde de vanadium

5.2.1 La transition de phase

5.2.2 Étude optique ultra-rapide de la transition de phase photo-induite

5.2.3 Diffraction X femtoseconde

5.2.4 Absorption X de la transition de phase photo-induite

5.3 Description de l’expérience

5.3.1 Principaux éléments et géométrie

5.3.2 Les échantillons de VO2

5.4 Caractérisation du spectromètre

5.4.1 Utilisation d’un élément léger pour la calibration : le carbone

5.4.2 Résolution spectrale théorique

5.4.2.1 Influence de la taille de la source

5.4.2.2 Influence de la taille des pixels

5.4.3 Quelques particularités à prendre en compte dans l’analyse des images

5.5 Caractérisation de la source X

5.5.1 Utilisation d’éléments lourds : spectre continu

5.5.2 Brillance de la source X

5.5.3 Caractérisation temporelle

5.6 Absorption de rayonnement X dans du VO2

5.6.1 Mesure en statique

5.6.2 Mesure en dynamique

5.7 Conclusion

6 Conclusion

6.1 Synthèse

6.2 Perpectives

6.2.1 Perspective générale

6.2.2 Perspectives spécifiques

Liste de mes publications

Bibliographie

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