Spectroscopie d'absorption X résolue en temps pour l'étude de la matière dense et tiède

L'etude des plasmas denses et tiedes est un domaine qui suscite aujourd'hui l'interet de nombreux groupes de recherche de part son large spectre d'applications. Ce regime de la matiere, qui recouvre une densite proche de celle du solide et une temperature allant de 0.1 a une dizaine d'eV, est encore mal connu et presente une grande complexite de part son caractere partiellement degenere (electrons) et partiellement correle (ions). Afin d'ex- plorer ce regime, nous proposons de le sonder par spectroscopie d'absorption X pres des seuils grâce a une source X ultra-rapide (ps), intense, produite par laser. La spectroscopie d'absorption X pres des seuils (XANES, EXAFS) est un diagnostic qui permet l'etude de la structure atomique locale de milieux eventuellement non-cristallins (solides, liquides, plasmas denses et tiedes). Elle necessite l'utilisation de sources X de large bande spectrale ajustee au seuil d'absorption de l'element etudie. Ma these s'est deroulee en plusieurs etapes. Dans un premier temps, nous nous sommes attaches a developper une source X ultra-breve (quelques picosecondes) creees par laser et adaptee a la spectroscopie d'absorption X de l'aluminium. Nous avons realise une telle source X en utilisant le rayonnement de couche M de plasmas d'elements de Z eleve, produits par une impulsion laser femtoseconde focalisee sur une cible solide : plus particulierement issu du faisceau de transition 4f −3d. Le spectre d'emission de cette source a ete etudie autour du flanc K de l'aluminium, c'est-a-dire dans la gamme de 1.50 a 1.75 keV. Une serie d'experiences, consistant en des mesures spectrales et temporelles de l'emission X, a ete effectuee avec un laser kHz (5 mJ, 30 fs), focalise sur differentes cibles solides : Sm, Gd, Dy, Er et Yb. Les resultats ont ete compares avec des simulations Averroes - Transpec (code collisionnel - radiatif hors equilibre thermodynamique local, couple a un traitement de la physique atomique en superconfigurations). Apres optimisation, le rayonnement X etudie presente un spectre large-bande dans la gamme energetique sou- haitee et une duree d'emission de ∼ 4 ps. Les intensites X atteintes sont de l'ordre de quelques 1e7 photons par tir, par eV et par sr, soit un rendement de 1‰ de l'energie laser emis dans la gamme 1.50 - 1.75 keV. Dans un second temps, nous avons developpe un spectrometre d'absorption X adapte aux caracteristiques des sources X creees par laser. Ce dispositif consiste en la mesure simultanee du spectre transmis par un echantillon d'aluminium et du spectre dit de reference qui consiste a mesurer directement le rayonnement X emis par la source a chaque tir laser. Cette mesure permet ensuite de calculer la transmission et donc l'absorption corrigee des fluctuations tir a tir de la source X. Des spectres d'absorption ont ete enregistres pres du seuil K d'un echantillon froid d'aluminium (20°C), en accumulant quelques milliers de tirs laser (soit quelques secondes seulement a 1 kHz). Les structures XANES sont claire- ment identifiees et resolues avec un niveau de bruit inferieur a 1 %. De tels spectres XANES, obtenus sur des installations laser de hautes cadences, ouvrent des perspectives pour la realisation d'experiences pompe - sonde sur de " petites " installations. Enfin, nous avons realise une experience en collaboration avec le LULI, afin de caracte- riser un echantillon d'aluminium prealablement chauffe de facon isochore par un faisceau de protons issus de l'interaction entre une impulsion laser ultra-intense (∼ 1e19 W/cm2), ultra-courte (fs) et une cible solide d'or. Grâce a cette methode, l'echantillon est tres rapi- dement porte a de relativement hautes temperatures (jusqu'a une dizaine d'eV). Dans ces conditions, la detente du plasma n'intervenant qu'apres quelques dizaines de picosecondes, il est possible de sonder le plasma tiede lorsque sa temperature est homogene et que sa densite est proche de celle du solide. En accord avec des travaux theoriques, les resultats experimentaux montrent une disparition des structures XANES lorsque l'alumi- nium atteint une temperature de l'ordre de 1 eV. On attribue cette disparition a une perte de correlation ion - ion. En perspective de cette etude, nous nous proposons d'etendre ce travail a l'analyse des plasmas denses et tiedes grâce a des techniques de chauffage diverses comme par exemple le chauffage par laser (fs), par propagation de chocs generes par laser (ns), ou encore par chauffage par rayonnement X ou XUV de type FEL (fs). Il est aussi envisage d'etendre cette etude a d'autres elements tels que le Fer.