Une impulsion de rayons X saisit des plasmas de 10 à 500 nanomètres
Une seule impulsion de rayons X et une seule caméra ont permis de saisir la façon dont un plasma à haute densité d'énergie se désintègre à des échelles spatiales de 10 à 500 nanomètres, avec une résolution temporelle inférieure à la picoseconde. L'équipe internationale, dirigée par Masato Ota, de l'Institut national des sciences de la fusion du Japon, a publié ce résultat le 16 octobre dans Communications Physics.
Selon le groupe de recherche, c'est la première fois que des structures sur une gamme de tailles aussi large sont mesurées simultanément avec une seule impulsion de rayons X et une seule caméra. Ota a réalisé ce travail alors qu'il était doctorant à l'Université d'Osaka, avec Yoichi Sakawa, de l'Institut d'ingénierie laser de l'université.
Pourquoi les plasmas sont difficiles à mesurer
Comprendre les instabilités et la turbulence dans les plasmas est un défi majeur dans des domaines allant de la fusion nucléaire à l'astrophysique et à la physique des plasmas laser. Dans les plasmas, de légères perturbations peuvent croître sous l'effet des instabilités, et la turbulence transfère de l'énergie entre des structures de tailles variées. Ces structures, des très petites aux grandes, influencent fortement le mouvement d'ensemble et le flux d'énergie du plasma.
Comme les structures varient même pour de faibles différences de conditions, il est difficile de reproduire le même état à chaque expérience. Cela crée un besoin de « mesures monocoup multi-échelles spatiales » qui saisissent une large gamme de tailles en une seule mesure. Dans les plasmas à haute densité d'énergie, les instabilités croissent en un temps extrêmement court ; il faut donc à la fois une haute résolution temporelle et une haute résolution spatiale pour en saisir les premiers stades.
Une méthode de diffusion sans arrêt de faisceau
L'équipe a combiné une « méthode de diffusion des rayons X aux petits angles sans arrêt de faisceau » nouvellement mise au point avec un laser à électrons libres à rayons X et une cible constituée d'un assemblage de tiges microscopiques, frappée par un laser femtoseconde de haute intensité. Dans la diffusion des rayons X aux petits angles, le motif des rayons X diffusés sous de petits angles révèle la taille des structures de l'échantillon.
Dans la version conventionnelle, la partie centrale du faisceau est masquée par un arrêt de faisceau afin de protéger la caméra du faisceau de rayons X intense, et seuls les motifs de diffraction autour de celui-ci sont mesurés. Il est donc fondamentalement impossible d'obtenir des signaux de la région des angles ultra-petits cachée derrière l'arrêt de faisceau.
Dans la nouvelle méthode, un système de filtres d'atténuation de la lumière composé de feuilles métalliques empilées, optimisées en épaisseur, en taille et en forme, a été utilisé à la place. Il a étendu la plage d'intensités que peut mesurer une seule caméra à rayons X à plus de 100 fois celle des méthodes conventionnelles. L'intense faisceau central est ainsi affaibli à un niveau que la caméra peut gérer, de sorte que les signaux d'une large gamme d'angles peuvent être enregistrés en une fois.
Ce qui a été mesuré
Grâce à cette approche, les chercheurs ont mesuré l'effondrement structurel et la raréfaction (amincissement) du plasma à des échelles spatiales de 10 nm à 500 nm, avec une résolution temporelle subpicoseconde. L'expérience, qui utilisait comme cible un assemblage de tiges microscopiques, était une démonstration de la méthode de mesure, et le titre de l'article la présente comme une mesure de la structure multi-échelle d'un plasma à haute densité d'énergie.
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