FR2752101A1 - Dispositif de generation d'impulsions ultra-courtes de rayonnement x - Google Patents
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Abstract
Ce dispositif comprend des moyens (54) de génération d'un faisceau pulsé de rayonnement X, un moyen (56) pour transformer celui-ci en un faisceau sensiblement parallèle, des premier et deuxième réseaux lamellaires multicouches (60, 62) pour rayonnement X, occupant des positions optiquement conjuguées l'une de l'autre, et des moyens (64, 66) de focalisation de rayonnement X ayant un foyer commun et placés entre les réseaux, le deuxième réseau fournissant les impulsions ultra-courtes. Application à la caractérisation de milieux.
Description
DISPOSITIF DE GENERATION D'IMPULSIONS ULTRA-COURTES
DE RAYONNEMENT X
DESCRIPTION
Domaine technique
La présente invention concerne un dispositif de génération d'impulsions ultra-courtes de rayonnement électromagnétique du type rayons X.
DE RAYONNEMENT X
DESCRIPTION
Domaine technique
La présente invention concerne un dispositif de génération d'impulsions ultra-courtes de rayonnement électromagnétique du type rayons X.
Elle permet notamment
de disposer d'une source de rayonnement
électromagnétique de durée d'émission
suffisamment courte et répétitive pour
permettre d'acquérir une connaissance précise
et résolue en temps (historique des
processus) de l'évolution spatio-temporelle
des caractéristiques physiques des milieux
condensés ou gazeux, moléculaires ou
atomiques, ionisés ou non, à durée de vie
transitoire et à caractère évolutif dans un
état hors équilibre thermodynamique,
de déterminer les propriétés physiques
transitoires, de durée ultra-courte, des
milieux ionisés et condensés à instabilités
localisées.
de disposer d'une source de rayonnement
électromagnétique de durée d'émission
suffisamment courte et répétitive pour
permettre d'acquérir une connaissance précise
et résolue en temps (historique des
processus) de l'évolution spatio-temporelle
des caractéristiques physiques des milieux
condensés ou gazeux, moléculaires ou
atomiques, ionisés ou non, à durée de vie
transitoire et à caractère évolutif dans un
état hors équilibre thermodynamique,
de déterminer les propriétés physiques
transitoires, de durée ultra-courte, des
milieux ionisés et condensés à instabilités
localisées.
Le dispositif objet de l'invention permet de diagnostiquer l'état physique d'un milieu condensé, ionisé (de type plasma) ou non, à chaque moment de son évolution.
Ce dispositif permet de détecter l'apparition de micro-instabilités qui perturbent l'équilibre thermodynamique.
La présente invention trouve des applications notamment dans les études
de la matière condensée par radiographie
éclair (dans le domaine de la détonique),
des gaz ionisés,
des claquages dans les gaz (en particulier
dans le domaine des bougies, des éclateurs et
de la foudre),
de la combustion dans les tuyères de
réacteurs (en aéronautique),
de réacteurs photochimiques,
des plasmas de soudure par laser ou de
soudure à l'arc,
des plasmas de fusion magnétique,
des plasmas de fusion par confinement
inertiel,
de l'ionosphère et de la magnétosphère (en
physique spatiale).
de la matière condensée par radiographie
éclair (dans le domaine de la détonique),
des gaz ionisés,
des claquages dans les gaz (en particulier
dans le domaine des bougies, des éclateurs et
de la foudre),
de la combustion dans les tuyères de
réacteurs (en aéronautique),
de réacteurs photochimiques,
des plasmas de soudure par laser ou de
soudure à l'arc,
des plasmas de fusion magnétique,
des plasmas de fusion par confinement
inertiel,
de l'ionosphère et de la magnétosphère (en
physique spatiale).
Etat de la technique antérieure
Pour mesurer et connaître les propriétés thermodynamiques, électroniques et physico-chimiques des milieux condensés ou gazeux, moléculaires ou atomiques, ionisés ou non, à durée de vie transitoire et à caractère évolutif, tels que les plasmas laser, les plasmas de combustion dans les tuyères, les plasmas de soudure à l'arc ou de soudure par laser, les milieux que l'on rencontre dans les chambres de combustion ou les chambres de réaction photochimique, il est généralement mis en oeuvre des moyens de diagnostic et de spectroscopie faisant appel à l'éclairement de ces milieux par une source de rayonnement électromagnétique (de courte longueur d'onde, du type rayonnement X) constituant un rayonnement externe.
Pour mesurer et connaître les propriétés thermodynamiques, électroniques et physico-chimiques des milieux condensés ou gazeux, moléculaires ou atomiques, ionisés ou non, à durée de vie transitoire et à caractère évolutif, tels que les plasmas laser, les plasmas de combustion dans les tuyères, les plasmas de soudure à l'arc ou de soudure par laser, les milieux que l'on rencontre dans les chambres de combustion ou les chambres de réaction photochimique, il est généralement mis en oeuvre des moyens de diagnostic et de spectroscopie faisant appel à l'éclairement de ces milieux par une source de rayonnement électromagnétique (de courte longueur d'onde, du type rayonnement X) constituant un rayonnement externe.
Une telle source est parfois appelée source auxiliaire.
Cette technique nécessite la mise en oeuvre d'une source de rayonnement électromagnétique intense, capable d'illuminer le milieu que l'on veut étudier pendant sa phase évolutive transitoire.
De plus, les caractéristiques du rayonnement issu de cette source sont choisies de telle manière que les mesures, soit de la partie réfléchie, soit de la partie transmise de ce rayonnement électromagnétique auxiliaire, puisse révéler, après interférence et détection, les caractéristiques physiques spatiotemporel les spécifiques du milieu qui a été illuminé par cette source.
A ce sujet, on consultera le document suivant et notamment la description de sa figure 1
(1) Demande de brevet français n"9515393 du
22 décembre 1995, intitulée "Procédé et
dispositif interférométriques de
caractérisation d'un milieu", invention de
Jean-François ELOY.
(1) Demande de brevet français n"9515393 du
22 décembre 1995, intitulée "Procédé et
dispositif interférométriques de
caractérisation d'un milieu", invention de
Jean-François ELOY.
On connait aussi une méthode de diagnostic du rayonnement électromagnétique émis par un plasma ionisé ou non, ou par un milieu condensé.
Cette méthode connue consiste à illuminer ce plasma ou ce milieu par une impulsions ultra-courte de rayonnement X, induite par l'impact d'un faisceau laser de durée ultra-courte (quelques femtosecondes) sur une cible métallique.
A ce sujet, on consultera le document suivant
(2) Demande de brevet français n0 9515390 du
22 décembre 1995, intitulée "Procédé et
dispositif de caractérisation d'un milieu
ionisé mettant en oeuvre une source de
rayonnement électromagnétique à durée ultra
courte", invention de Jean-François ELOY et
Hans WILHELMSSON.
(2) Demande de brevet français n0 9515390 du
22 décembre 1995, intitulée "Procédé et
dispositif de caractérisation d'un milieu
ionisé mettant en oeuvre une source de
rayonnement électromagnétique à durée ultra
courte", invention de Jean-François ELOY et
Hans WILHELMSSON.
On connaît par ailleurs une méthode de diagnostic de milieu condensé, ionisé ou non, moléculaire ou atomique.
Cette méthode consiste à illuminer ce milieu par un rayonnement électromagnétique partiellement cohérent, du type rayonnement synchrotron, émis lors de l'interaction d'un faisceau d'électrons relativistes avec une structure magnétique de type onduleur ("wiggler").
A cet effet, il est connu d'utiliser une source de rayonnement pulsé, soit cohérent (rayonnement laser), soit partiellement cohérent (rayonnement synchrotron d'interaction électrons relativistes-structure magnétique de type onduleur) soit incohérent (rayonnement X).
Dans le cas de l'étude d'un plasma-laser, on sait que ce rayonnement peut avoir pour origine la source de rayonnement laser qui engendre le plasma-laser à étudier.
Dans ce cas, le moyen de diagnostic est dénommé radiographie par flash X.
On sait aussi que le rayonnement soit réfléchi soit transmis peut être focalisé de manière diffractive afin de fournir une image du milieu condensé par l'intermédiaire d'une caméra.
I1 est connu par ailleurs qu'un matériau constitué en réseau lamellaire multicouche (par exemple des couches de tungstène-carbone) diffracte un faisceau de rayonnement X de bande d'énergie donnée en fonction de l'angle d'incidence, d'une part en dispersant le rayonnement en multifaisceaux réfléchis de longueurs d'ondes spécifiques (suivant les différents ordres correspondants) et d'autre part en réduisant la bande passante.
A ce sujet, on consultera le document suivant
(3) S. BAC, Journal of X Ray Science and
Technology, vol. 5, p. 161 à 180, 1995.
(3) S. BAC, Journal of X Ray Science and
Technology, vol. 5, p. 161 à 180, 1995.
On sait aussi qu'une surface métallique ou un cristal (par exemple un cristal de phtalate de rubidium, ou RBAP, un cristal de phtalate de potassium, ou KAP, ou un cristal de stéarate de plomb), de forme convexe ou concave, peut faire diverger ou converger un faisceau de rayonnement X en superposant à cet effet de lentille X un effet de filtrage en fréquence du rayonnement réfléchi.
Pour améliorer la résolution spatio-temporelle de ces moyens de caractérisation et, du même coup, la compréhension des phénomènes physiques transitoires dans les milieux condensés ou les milieux gazeux ionisés à propriétés évolutives, les dispositifs de l'art antérieur disposent d'une source optique répétitive produisant un nombre suffisant d'impulsions de rayonnement électromagnétique pour illuminer le milieu avec un taux de répétition élevé, durant un temps le plus bref possible.
Les dispositifs remplissant cette fonction modulent temporellement le faisceau de rayonnement dans un moyen de dispersion d'impulsion libre de type
Michelson (voir le document (1)).
Michelson (voir le document (1)).
Il existe une première limitation importante d'application de ces dispositifs de l'art antérieur pour atteindre des résolutions spatio-temporelles élevées : la durée des impulsions de rayonnement X ou de rayonnement synchrotron est trop longue, car nettement supérieure à une picoseconde.
Il existe aussi une seconde limitation importante d'application de ces dispositifs de l'art antérieur pour atteindre des résolutions spatio-temporelles élevées : l'impossibilité technique d'obtenir des sources X à haut taux de répétition.
En effet, en raison de propriétés spécifiques des matériaux utilisés, les principes de génération d'impulsions ultra-courtes et d'utilisation du modulateur-séquenceur faisant partie de ces dispositifs restent limités aux domaines spectraux d'utilisation des composants optiques, allant du domaine visible au domaine infrarouge et au domaine submillimétrique.
Cela n'est pas applicable aux impulsions de rayonnement X-laser ou synchrotron.
Dans une méthode de diagnostic de milieux condensés et/ou ionisés évolutifs temporellement, le fait que les impulsions de rayonnement X ne soient pas de durée suffisamment brève présente des inconvénients
l'impulsion X servant de sonde ne peut pas
être considérée de durée ultracourte par
rapport à la durée de vie des états atomiques
et moléculaires à étudier,
cette impulsion perd ses propriétés
particulières de propagation dans ces milieux
à la limite des valeurs de fréquence-plasma
de coupure.
l'impulsion X servant de sonde ne peut pas
être considérée de durée ultracourte par
rapport à la durée de vie des états atomiques
et moléculaires à étudier,
cette impulsion perd ses propriétés
particulières de propagation dans ces milieux
à la limite des valeurs de fréquence-plasma
de coupure.
Exposé de l'invention
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précédents en proposant un dispositif de génération d'impulsions ultra-courtes de rayonnement X qui utilise deux réseaux lamellaires multicouches pour rayonnement X qui occupent des positions conjuguées.
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précédents en proposant un dispositif de génération d'impulsions ultra-courtes de rayonnement X qui utilise deux réseaux lamellaires multicouches pour rayonnement X qui occupent des positions conjuguées.
De façon précise, la présente invention a pour objet un dispositif de génération d'impulsions de rayonnement X, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend
- des moyens de génération d'un faisceau pulsé
de rayonnement X,
- un moyen optique intermédiaire apte à
transformer ce faisceau en un faisceau pulsé
sensiblement parallèle de rayonnement X,
- des premier et deuxième réseaux lamellaires
multicouches pour rayonnement X, occupant des
positions optiquement conjuguées l'une de
l'autre, et
- des premier et deuxième moyens de
focalisation de rayonnement X, ayant un foyer
commun et formant un ensemble optique qui est
placé sur le trajet du rayonnement X, entre les
premier et deuxième réseaux, le rayonnement X
passant ainsi du moyen optique intermédiaire au
premier réseau puis au deuxième réseau par
l'intermédiaire du premier moyen de
focalisation puis du deuxième moyen de
focalisation, le deuxième réseau fournissant
des impulsions ultra-courtes de rayonnement X.
- des moyens de génération d'un faisceau pulsé
de rayonnement X,
- un moyen optique intermédiaire apte à
transformer ce faisceau en un faisceau pulsé
sensiblement parallèle de rayonnement X,
- des premier et deuxième réseaux lamellaires
multicouches pour rayonnement X, occupant des
positions optiquement conjuguées l'une de
l'autre, et
- des premier et deuxième moyens de
focalisation de rayonnement X, ayant un foyer
commun et formant un ensemble optique qui est
placé sur le trajet du rayonnement X, entre les
premier et deuxième réseaux, le rayonnement X
passant ainsi du moyen optique intermédiaire au
premier réseau puis au deuxième réseau par
l'intermédiaire du premier moyen de
focalisation puis du deuxième moyen de
focalisation, le deuxième réseau fournissant
des impulsions ultra-courtes de rayonnement X.
Selon un premier mode de réalisation
particulier du dispositif objet de l'invention,
ce dispositif comprend en outre un filtre
interférentiel qui est disposé au niveau du
plan focal commun aux premier et deuxième
moyens de focalisation.
particulier du dispositif objet de l'invention,
ce dispositif comprend en outre un filtre
interférentiel qui est disposé au niveau du
plan focal commun aux premier et deuxième
moyens de focalisation.
Selon un deuxième mode de réalisation particulier, ce dispositif comprend en outre un moyen de collimation réglable qui est disposé au niveau du plan focal commun aux premier et deuxième moyens de focalisation.
Selon un troisième mode de réalisation particulier, ce dispositif comprend en outre un moyen de collimation réglable et un filtre interférentiel qui sont disposés au niveau du plan focal commun aux premier et deuxième moyens de focalisation.
Chacun des premier et deuxième moyens de focalisation peut comprendre un miroir cylindrique pour rayonnement X ou un miroir sphérique pour rayonnement X ou un cristal courbe apte à focaliser le rayonnement X.
Le moyen optique intermédiaire peut aussi comprendre un miroir cylindrique pour rayonnement X ou un miroir sphérique pour rayonnement X ou un cristal courbe apte à focaliser le rayonnement X.
Ce cristal peut être un cristal de phtalate de rubidium ou un cristal de phtalate de potassium.
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, les moyens de génération du faisceau pulsé de rayonnement X comprennent
- un laser apte à émettre des impulsions laser,
et
- une cible qui est faite d'un matériau solide
et qui est apte à produire le faisceau pulsé de
rayonnement X lorsqu'elle reçoit les impulsions
laser.
- un laser apte à émettre des impulsions laser,
et
- une cible qui est faite d'un matériau solide
et qui est apte à produire le faisceau pulsé de
rayonnement X lorsqu'elle reçoit les impulsions
laser.
Le dispositif objet de l'invention présente les avantages suivants
- il permet de multiplier la somme des données
que l'on peut collecter sur un milieu à
caractériser, par unité de temps et par
expérience, au moyen d'un faisceau de
rayonnement X, à haut taux de répétition,
- il permet de réduire la durée des impulsions
X permettant de sonder le milieu en dispersant
spectralement et en comprimant temporellement
ces impulsions au moyen de deux réseaux
lamellaires multicouches,
- il permet de réduire, si nécessaire, la
largeur spectrale des impulsions X en
sélectionnant la fréquence moyenne utile du
rayonnement au moyen d'une fente collimatrice
positionnée à cet effet entre les deux réseaux
lamellaires multicouches, d'où un avantage
supplémentaire du dispositif qui permet alors
d'améliorer la résolution temporelle d'un
diagnostic effectué au moyen de ce dispositif.
- il permet de multiplier la somme des données
que l'on peut collecter sur un milieu à
caractériser, par unité de temps et par
expérience, au moyen d'un faisceau de
rayonnement X, à haut taux de répétition,
- il permet de réduire la durée des impulsions
X permettant de sonder le milieu en dispersant
spectralement et en comprimant temporellement
ces impulsions au moyen de deux réseaux
lamellaires multicouches,
- il permet de réduire, si nécessaire, la
largeur spectrale des impulsions X en
sélectionnant la fréquence moyenne utile du
rayonnement au moyen d'une fente collimatrice
positionnée à cet effet entre les deux réseaux
lamellaires multicouches, d'où un avantage
supplémentaire du dispositif qui permet alors
d'améliorer la résolution temporelle d'un
diagnostic effectué au moyen de ce dispositif.
Brève description des dessins
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels
- la figure 1 représente un schéma de principe
d'un exemple du dispositif décrit dans le
document (1),
- les figures 2A à 2C représentent l'évolution
temporelle de divers signaux ou faisceaux mis
en oeuvre dans le cadre d'un procédé décrit
dans ce document (1),
- la figure 3 est un schéma de principe d'un
autocorrélateur à échantillonnage
optoélectronique utilisable avec le dispositif
de la figure 1,
- la figure 4 est une vue schématique d'un mode
de réalisation particulier du dispositif objet
de l'invention, utilisant un filtre
interférentiel, et
- la figure 5 est une vue schématique d'un
autre mode de réalisation particulier du
dispositif objet de l'invention, utilisant un
moyen de collimation.
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels
- la figure 1 représente un schéma de principe
d'un exemple du dispositif décrit dans le
document (1),
- les figures 2A à 2C représentent l'évolution
temporelle de divers signaux ou faisceaux mis
en oeuvre dans le cadre d'un procédé décrit
dans ce document (1),
- la figure 3 est un schéma de principe d'un
autocorrélateur à échantillonnage
optoélectronique utilisable avec le dispositif
de la figure 1,
- la figure 4 est une vue schématique d'un mode
de réalisation particulier du dispositif objet
de l'invention, utilisant un filtre
interférentiel, et
- la figure 5 est une vue schématique d'un
autre mode de réalisation particulier du
dispositif objet de l'invention, utilisant un
moyen de collimation.
Exposé détaillé de modes de réalisation particuliers
On commence par revenir sur le document (1).
On commence par revenir sur le document (1).
La figure 1 représente un schéma de principe d'un exemple du dispositif décrit dans ce document (1).
Un laser, non représenté sur la figure 1, émet des impulsions d'un rayonnement référencé 2 sur cette figure 1.
Ce rayonnement est focalisé par une lentille 4 à la surface d'une cible solide 6.
Les impulsions émises par le laser sont de préférence des impulsions de type femtoseconde, avec une largeur temporelle de l'ordre de 10-14 à 10-13 s.
La cible 6 est compcsée d'un matériau métallique de type titane, nickel, zinc ou tungstène.
Sous l'effet du faisceau laser focalisé 2, une émission radiative de la surface de cette cible a lieu, et il en résulte l'émission d'un rayonnement intense 8 de rayonnement X, dont les caractéristiques énergétiques et spectrales dépendent du matériau cible sélectionné.
Le faisceau de rayonnement X ainsi obtenu est réfléchi par un miroir 12, pour rayons X, en direction d'un miroir multicouche 14.
Ce miroir comporte essentiellement une série de couches alternées 16, 18 20, 22.
Pour l'application au domaine de rayonnement X, ces couches peuvent être par exemple alternativement des couches de carbone et de tungstène, ou de tungstène et de molybdène.
Ce miroir multicouche permet de transformer une impulsion de rayonnement X unique, incidente, en une pluralité d'impulsions constituant un train d'impulsions.
En effet, une impulsion unique de rayonnement X va subir une propagation et des réflexions successives sur les couches empilées.
A partir des coefficients d'absorption et de réflexion des couches du miroir 14, il est possible de choisir l'espacement et le nombre des couches réflectrices du miroir en fonction de la plage temporelle sur laquelle le train d'impulsion doit être étalé.
Si n est l'indice du matériau constitutif d'une couche du miroir, à la longueur d'onde moyenne des rayons X, et sachant qu'un retard de nu100 femtosecondes supplémentaires correspond à une épaisseur de couche de 30 um (pour des directions d'incidence et de réflexion orthogonales), il est possible de sélectionner l'écart temporel entre les impulsions X du train d'impulsions.
En fait, le miroir multicouche 14 permet
- d'une part de diriger deux faisceaux
réfléchis, comportant chacun un train
d'impulsions X ayant les mêmes caractéristiques
temporelles, l'un des faisceaux étant émis vers
le milieu à étudier 24 et 11 autre (faisceau
sonde 30 ou faisceau de référence) étant émis
en direction d'un détecteur 26,
- de moduler et de distribuer temporellement une
impulsion unique de rayonnement X primaire pour
former une pluralité, ou train, d'impulsions X
retardées régulièrement dans le temps,
remplaçant ainsi ou jouant ainsi le rôle d'une
pluralité de sources X décalées dans le temps.
- d'une part de diriger deux faisceaux
réfléchis, comportant chacun un train
d'impulsions X ayant les mêmes caractéristiques
temporelles, l'un des faisceaux étant émis vers
le milieu à étudier 24 et 11 autre (faisceau
sonde 30 ou faisceau de référence) étant émis
en direction d'un détecteur 26,
- de moduler et de distribuer temporellement une
impulsion unique de rayonnement X primaire pour
former une pluralité, ou train, d'impulsions X
retardées régulièrement dans le temps,
remplaçant ainsi ou jouant ainsi le rôle d'une
pluralité de sources X décalées dans le temps.
Du fait de l'ouverture angulaire du faisceau de rayonnement X sur le miroir multicouches, l'angle solide du faisceau X réfléchi est suffisant pour séparer (par collimation) ce faisceau en deux branches distinctes selon deux directions différentes.
L'évolution temporelle de l'intensité du faisceau laser impulsionnel est représentée schématiquement en trait plein sur la figure 2A, tandis que la courbe en traits interrompus représente schématiquement l'évolution temporelle de l'impulsion de rayonnement X obtenue après claquage en surface de la cible 16.
Cette deuxième impulsion est plus large que la première : pour une impulsion laser de l'ordre de s, s, l'impulsion de rayonnement X a une largeur temporelle d'environ 10-1 s.
La figure 2B représente l'évolution temporelle du train d'impulsions obtenu après réflexion d'une impulsion unique de rayonnement X sur le miroir multicouche 14.
Le train d'impulsions comporte autant de pics ou d'impulsions élémentaire qu'il y a de réflexions sur le miroir 14.
Chacun des deux faisceaux, le faisceau émis en direction du milieu 24 à étudier et le faisceau de référence 30 émis en direction du détecteur 26, ont la même distribution temporelle que celle représentée sur la figure 2B.
L'interaction du train d'impulsions, c'est-à-dire du faisceau 28, avec le milieu 24, provoque la réémission, par ce dernier, d'un faisceau-signal 32 en direction du détecteur 26.
L'évolution temporelle du signal 32 est schématiquement représentée sur la figure 2C.
Le détecteur est donc soumis à deux faisceaux : le faisceau de référence 30 issu directement du miroir multicouche 14, et le faisceau-signal 32 réémis par le milieu 24.
Ces deux faisceaux interfèrent au niveau du détecteur 26 : le champ à prendre en compte pour le déclenchement de ce dernier est le champ électrique E=Eo + E2, où Eo est la contribution du faisceau 30 au champ électrique, au niveau du détecteur 26, et E2 est la contribution du faisceau 32 au champ électrique, au niveau du détecteur 26.
Par conséquent, si les champs Eo et E2 sont, à un certain instant t, en phase, le détecteur est sensible au champ total et est déclenché.
Par contre, si, à un instant t', les composantes Eo et E2 sont en opposition de phase, le champ résultant est nul au niveau du détecteur 26 et ce dernier n'est pas déclenché.
Ce principe permet de "marquer" le faisceau-signal 32 avec une référence temporelle connue (le faisceau 30)
Le détecteur rapide ou ultrarapide 26 est sensible dans la gamme des rayonnements à étudier.
Le détecteur rapide ou ultrarapide 26 est sensible dans la gamme des rayonnements à étudier.
Pour des rayons X, ce peut être par exemple un détecteur à base d'un matériau photoconducteur ultrarapide, la durée de vie des porteurs étant inférieure à 1 ps.
Un tel matériau peut être du CdTe, du GaAs, du silicium dopé à l'oxygène sur du saphir ou du diamant.
Le diamant est le matériau le plus performant car le plus résistant aux rayonnements.
Ce détecteur 26 peut être couplé à un dispositif autocorrélateur optoélectronique 34, à contact glissant.
Cet échantillonneur est un microsystème capable d'analyser les impulsions jusqu'à 50 gigahertz.
Schématiquement, un tel dispositif est représenté sur la figure 3.
C'est un composant intégré, réalisé dans une technologie de type microélectronique.
Il comporte une ligne de propagation principale 36 sur laquelle est envoyé le signal unique S(t) à échantillonner, ainsi que n lignes d'échantillonnage 38-1, 38-2, 38-3, ..., 38-n.
Ces lignes d'échantillonnage 38-i (l < i < n) sont disposées en "peigne" le long de la ligne principale.
Entre chacune des lignes d'échantillonnage 38-i et la ligne principale 36 se trouve un plot 40-i (1 < i < n) de matériau photoconducteur.
Chaque ligne d'échantillonnage est par ailleurs également reliée à une capacité de stockage 42-1, 42-2, ..., 42-n ainsi qu'à une électronique d'acquisition non représentée sur la figure 3.
Chaque élément photoconducteur 40-1, 40-2, 40-n est déclenché par une impulsion laser ultrarapide.
Un moyen commode d'obtenir une telle impulsion pour chaque élément photoconducteur consiste, comme le montre la figure 1, à prélever dans le faisceau 2 du laser femtoseconde un faisceau secondaire 44-1, à l'aide d'un miroir 46.
Ce faisceau secondaire 44-1 peut être lui-même divisé en plusieurs en plusieurs sous-faisceaux 44-2, ..., 44-n, à l'aide de miroirs 43-2, . . ., 43-n partiellement transparents, interposés sur son trajet.
Le sous-faisceau principal 44-1 vient déclencher l'élément photoconducteur 40-1.
Un premier sous-faisceau secondaire 44-2 obtenu à l'aide du miroir 43-2 vient déclencher l'élément photoconducteur 40-2 à un instant déterminé par la longueur de la ligne à retard définie par le trajet du faisceau entre le miroir 43-2 et l'élément photoconducteur 40-2.
De même, le troisième élément photoconducteur 40-3 est déclenché par un second sous-faisceau secondaire 44-3, à un instant lui-même défini par la longueur d'une seconde ligne à retard.
Ce principe de déclenchement est appliqué à chaque élément photoconducteur 40-i (l < i < n), celui-ci étant déclenché à un instant ti défini par la longueur de la ième ligne à retard.
L'impulsion laser ultrarapide incidente sur un photoconducteur 40-i ferme l'interrupteur constitué par ce photoconducteur.
Un signal est alors prélevé, signal qui correspond à l'intensité du signal S en regard de la ligne i à l'instant ti de fermeture du photoconducteur.
D'autres détails concernant la réalisation de l'échantillonneur optoélectronique ainsi que le procédé de mesure correspondant peuvent être trouvés dans la publication de la demande européenne EP-327 420.
En particulier, chaque matériau photoconducteur peut être par exemple du tellurure de cadmium basse température, tandis que les lignes de transmission principale et secondaire peuvent être en aluminium.
Un circuit électronique de mesure, par exemple de type amplificateur de charge, et d'enregistrement des signaux délivrés par chaque ligne d'échantillonnage 38-i est également prévu mais n'est pas représenté sur la figure 3.
Avec ce dispositif, le pas temporel d'échantillonnage du signal délivré par le photodétecteur 26 est défini par la distance spatiale entre deux lignes 38-i voisines, comme cela est expliqué dans la publication mentionnée ci-dessus.
De même, le faisceau principal de déclenchement 44-1, prélevé dans le faisceau laser femtoseconde 2, déterminant l'instant auquel le premier photoconducteur 40-1 est fermé, détermine l'instant auquel l'échantillonnage va commencer.
Suivant la longueur du trajet parcouru par ce faisceau 44-1, cet instant de déclenchement définira la portion du plasma ou du milieu 24 étudié en provenance de laquelle les signaux analysés seront réémis.
Ceci signifie qu'il est possible de choisir d'échantillonner des signaux provenant d'une zone 50 périphérique du milieu étudié 24 ou d'une zone 52 se trouvant en profondeur dans le milieu étudié 24.
Ainsi, en faisant varier l'instant de déclenchement du dispositif d'échantillonnage, on obtient une image d'une "tranche", ou d'une zone, plus ou moins profonde du milieu étudié 24.
En fait d'image, il s'agit plutôt de l'analyse temporelle du signal réémis par ladite zone ou ladite tranche.
Par conséquent, on obtient une résolution à la fois temporelle et spatiale du comportement du plasma.
Le dispositif conforme à l'invention, qui est schématiquement représenté sur la figure 4, est destiné à engendrer des impulsions de rayonnement X ultracourtes.
Dans l'exemple représenté, ces impulsions ultracourtes de rayonnement X sont destinées à la caractérisation d'un milieu 53.
Le dispositif de la figure 4 comprend
- des moyens 54 de génération d'un faisceau
pulsé 55 de rayonnement X,
- un moyen optique intermédiaire 56 qui
transforme ce faisceau 55 en un faisceau pulsé
58 sensiblement parallèle de rayonnement X
(c'est-à-dire que les rayons de ce faisceau 58
sont sensiblement parallèles les uns aux
autres)
- un premier réseau lamellaire multicouche 60
pour rayonnement X ainsi qu'un deuxième réseau
lamellaire multicouche 62 pour rayonnement X,
ces réseaux 60 et 62 occupant des positions
optiquement conjuguées l'une de l'autre, et
- un premier moyen 64 de focalisation de
rayonnement X ainsi qu'un deuxième moyen 66 de
focalisation de rayonnement X qui ont un plan
focal commun et donc un foyer commun et forment
un ensemble optique placé sur le trajet du
rayonnement X entre les réseaux 60 et 62.
- des moyens 54 de génération d'un faisceau
pulsé 55 de rayonnement X,
- un moyen optique intermédiaire 56 qui
transforme ce faisceau 55 en un faisceau pulsé
58 sensiblement parallèle de rayonnement X
(c'est-à-dire que les rayons de ce faisceau 58
sont sensiblement parallèles les uns aux
autres)
- un premier réseau lamellaire multicouche 60
pour rayonnement X ainsi qu'un deuxième réseau
lamellaire multicouche 62 pour rayonnement X,
ces réseaux 60 et 62 occupant des positions
optiquement conjuguées l'une de l'autre, et
- un premier moyen 64 de focalisation de
rayonnement X ainsi qu'un deuxième moyen 66 de
focalisation de rayonnement X qui ont un plan
focal commun et donc un foyer commun et forment
un ensemble optique placé sur le trajet du
rayonnement X entre les réseaux 60 et 62.
Le rayonnement X interagit successivement avec le moyen optique 56, le réseau 60, le moyen de focalisation 64, le moyen de focalisation 66 et le réseau 62.
Des impulsions ultra-courtes 67 de rayonnement X sont en conséquence fournies par le réseau 62 et envoyées vers le milieu 53 par l'intermédiaire d'un miroir 68 pour rayonnement X, ce miroir 68 étant par exemple plan.
Dans l'exemple représenté sur la figure 4, les moyens 54 de génération du faisceau pulsé 55 de rayonnement X comprennent
- une source laser intense 70 apte à émettre
des impulsions laser 71 ultra-courtes, et
- une cible 72 qui est faite d'un matériau
solide et qui est apte à produire le faisceau
intense 55 lorsqu'elle reçoit les impulsions
laser.
- une source laser intense 70 apte à émettre
des impulsions laser 71 ultra-courtes, et
- une cible 72 qui est faite d'un matériau
solide et qui est apte à produire le faisceau
intense 55 lorsqu'elle reçoit les impulsions
laser.
Les impulsions ultra-courtes fournies par le laser 70 sont focalisées sur la cible 72 par une lentille appropriée 74.
Par "impulsions ultra-courtes", on entend des impulsions de durée inférieure à 10-13 s, par exemple comprise dans l'intervalle allant de 10-15 S à 10-14 s, ou en tout cas de durée beaucoup plus brève que la durée de vie du milieu que l'on veut étudier.
Dans l'exemple 1 représenté, la cible 72 est faite d'un matériau métallique tel que Ti, Ni, Zn ou W.
Les caractéristiques énergétiques et spectrales du faisceau pulsé intense 55 dépendent de ce matériau.
Dans l'exemple représenté sur la figure 4, le rayonnement X, référencé 76, qui est réémis par le milieu 53 après interaction de celui-ci avec le rayonnement 69 réfléchi par le miroir 68, est mesuré par un détecteur approprié 78 qui est associé à un dispositif autocorrélateur optoélectronique 80.
Ce dispositif 80 est commandé par des impulsions laser ultra-courtes 81 qui sont prélevées au faisceau pulsé issu du laser 70 grâce à un séparateur de faisceau 82 ("beam splitter") qui est placé dans le faisceau fourni par le laser 70 comme on le voit sur la figure 4.
Le dispositif de la figure 4 comprend aussi un filtre interférentiel 84 qui est disposé au niveau du plan focal P commun aux moyens de focalisation 64 et 66.
Les réseaux 60 et 62 comprennent des couches métalliques réflectrices régulièrement empilées.
Chacun des moyens de focalisation 64 et 66 peut être un miroir cylindrique ou sphérique pour rayonnement X ou un cristal courbe, apte à focaliser un rayonnement X.
On peut utiliser un cristal de phtalate de rubidium ou encore un cristal de phtalate de potassium.
De même, le moyen optique intermédiaire 56 peut être un miroir cylindrique ou sphérique pour rayonnement X ou un cristal courbe, par exemple en phtalate de rubidium ou en phtalate de potassium, de forme appropriée pour focaliser un rayonnement X.
Le dispositif conforme à l'invention, qui est schématiquement représenté sur la figure 5, diffère de celui de la figure 4 par le fait qu'il comprend, au lieu du filtre interférentiel 84, un moyen de collimation 86 qui est disposé au niveau du plan focal
P commun aux moyens de focalisation 64 et 66.
P commun aux moyens de focalisation 64 et 66.
Dans un autre dispositif conforme à l'invention non représenté, on utilise à la fois le filtre 84 et le moyen de collimation 86 et l'on dispose ceux-ci au niveau du plan focal P.
On précise que le moyen de collimation 86 peut être un collimateur ou un écran absorbant ajouré.
De plus, ce moyen de collimation 86 est réglable en ce sens qu'il est déplaçable parallèlement au plan focal P pour pouvoir sélectionner telle ou telle raie du rayonnement issu du moyen de focalisation 64.
On peut utiliser le rayonnement X provenant d'un synchrotron en tant que rayonnement 55.
Alors, pour commander le dispositif 80, on peut utiliser des impulsions produites par un système de déclenchement lui-même commandé par le rayonnement synchrotron.
On revient maintenant au dispositif de la figure 4 ainsi qu'à sa variante qui est représentée sur la figure 5.
On précise que le moyen optique intermédiaire 56 permet non seulement de réduire notablement la divergence du faisceau 55 mais encore de filtrer les fréquences hautes et basses de ce faisceau 55.
Les réseaux 60 et 62, qui occupent des positions conjuguées et sont associés aux moyens de focalisation 64 et 66, permettent de remédier aux inconvénients de l'art antérieur.
Chaque point-source de la surface du réseau 60 a un point-image sur le réseau 62 situé à la même distance optique pour tout l'espace fréquentiel équivalent.
Donc, à chaque instant, le faisceau résultant du traitement par le système optique composé des réseaux 60 et 62 et des moyens de focalisation 64 et 66 a la même distribution spectrale.
Cependant, la multiplicité des rayons X qui sont réfléchis selon le même angle (et ont donc la même fréquence) et qui sont issus des différents pointssources de la surface du réseau 60 va parcourir des trajectoires optiques d'autant plus courtes que la fréquence du rayon considéré sera plus élevée du fait de la propriété de dispersion spectrale des réseaux 60 et 62.
Les trajectoires optiques des faisceaux X de sondage (qui sont issus du réseau 60 et sont référencés
F1, ..., FN, avec N > 2, seuls les faisceaux F1 et FN étant représentés) apparaissent, suivant la structure interférentielle du filtre 84 et/ou la position du collimateur 86, à des angles de réflexion (du fait des propriétés du réseau 60) qui différent selon la fréquence moyenne utile du rayonnement X.
F1, ..., FN, avec N > 2, seuls les faisceaux F1 et FN étant représentés) apparaissent, suivant la structure interférentielle du filtre 84 et/ou la position du collimateur 86, à des angles de réflexion (du fait des propriétés du réseau 60) qui différent selon la fréquence moyenne utile du rayonnement X.
I1 en résulte que la dispersion spatiale du faisceau 58 (résultant de la source laser 70 ou d'un synchrotron) par le réseau 60 entraîne une variation du trajet optique suivant
- d'une part l'angle de réflexion correspondant
aux différents ordres de diffraction, et
- d'autre part, les positions respectives
considérées des points-sources et des points
images sur les réseaux occupant des positions
conjuguées, suivant les caractéristiques
d'émission de la source laser (ou du
synchrotron).
- d'une part l'angle de réflexion correspondant
aux différents ordres de diffraction, et
- d'autre part, les positions respectives
considérées des points-sources et des points
images sur les réseaux occupant des positions
conjuguées, suivant les caractéristiques
d'émission de la source laser (ou du
synchrotron).
L'adjonction du filtre 84 ou du moyen de collimation 86 au niveau du foyer commun aux deux moyens de focalisation 64 et 66, de manière à moduler spatialement (et éventuellement fréquentiellement) la transmission entre les deux moyens de focalisation 64 et 66, permet d'éliminer la transmission pour certaines trajectoires et donc d'obtenir un faisceau de rayonnement X modulé temporellement à la sortie de l'ensemble formé par les réseaux 60, 62 et par les moyens de focalisation 64, 66.
Les orientations des deux réseaux dans des positions conjuguées offrent une nouvelle possibilité de modulation temporelle de l'impulsion unique d'origine suivant un train d'impulsions X (qui peut atteindre 5 à 15 impulsions successives) avec un taux de répétition qui peut être élevé et atteindre quelques térahertz suivant le principe d'un système séquenceur de type Michelson appliqué aux faisceaux de rayonnement
X.
X.
C'est le filtre 84 ou le collimateur 86 qui fixe le nombre d'impulsions contenues dans le train d'impulsions ainsi que le taux de répétition dans ce train.
Dans le cas de la figure 5, la collimation réduit la bande passante des faisceaux X de sondage et limite la durée de l'impulsion résultante.
Le choix de la répartition et de l'agencement de l'ensemble formé par les réseaux 60, 62, les moyens de focalisation 64, 66, le filtre 84 et/ou le moyen de collimation 86 dépend des caractéristiques de dispersion temporelle recherchées pour le faisceau X.
Dans le cas de la figure 5, le choix de la position du moyen de collimation 86 permet essentiellement le traitement et la sélection d'une partie préférentielle du spectre de rayons X.
La combinaison des variantes des figures 4 et 5 (utilisation du filtre 84 et du moyen de collimation 86 au niveau du plan focal commun P) permet à la fois de réduire la durée de chaque impulsion X fournie et d'obtenir un train d'impulsions à taux de répétition élevé.
L'ensemble constitué des réseaux 60, 62, des moyens de focalisation 64, 66, et du filtre 84 et/ou du moyen de collimation 86 fournit un faisceau de rayons X composé d'un train d'impulsions X qui sont espacées régulièrement d'un même intervalle temporel et qui sont ensuite dirigées vers le milieu 53 à caractériser, par l'intermédiaire du miroir 68 pour rayons X prévu à cet effet.
Claims (8)
1. Dispositif de génération d'impulsions de rayonnement X, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend
- des moyens (54) de génération d'un faisceau
pulsé de rayonnement X,
- un moyen optique intermédiaire (56) apte à
transformer ce faisceau en un faisceau pulsé
sensiblement parallèle de rayonnement X,
- des premier et deuxième réseaux lamellaires
multicouches (60, 62) pour rayonnement X,
occupant des positions optiçlement conjuguées
l'une de l'autre, et
- des premier et deuxième moyens (64, 66) de
focalisation de rayonnement X, ayant un foyer
commun et formant un ensemble optique qui est
placé sur le trajet du rayonnement X, entre les
premier et deuxième réseaux, le rayonnement X
passant ainsi du moyen optique intermédiaire au
premier réseau puis au deuxième réseau par
l'intermédiaire du premier moyen de
focalisation puis du deuxième moyen de
focalisation, le deuxième réseau (62)
fournissant des impulsions ultra-courtes de
rayonnement X.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un filtre interférentiel (84) qui est disposé au niveau du plan focal commun aux premier (64) et deuxième (66) moyens de focalisation.
3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen de collimation réglable (86) qui est disposé au niveau du plan focal commun aux premier (64) et deuxième (66) moyens de focalisation.
4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen de collimation réglable (86) et un filtre interférentiel (84) qui sont disposés au niveau du plan focal commun aux premier (64) et deuxième (66) moyens de focalisation.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chacun des premier (64) et deuxième (66) moyens de focalisation comprend un miroir cylindrique pour rayonnement X ou un miroir sphérique pour rayonnement X ou un cristal courbe apte à focaliser le rayonnement X.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le moyen optique intermédiaire (56) comprend un miroir cylindrique pour rayonnement X ou un miroir sphérique pour rayonnement X ou un cristal courbe apte à focaliser le rayonnement X.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que le cristal est un cristal de phtalate de rubidium ou un cristal de phtalate de potassium.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les moyens (54) de génération du faisceau pulsé de rayonnement X comprennent
- un laser (70) apte à émettre des impulsions
laser, et
- une cible (72) qui est faite d'un matériau
solide et qui est apte à produire le faisceau
pulsé de rayonnement X lorsqu'elle reçoit les
impulsions laser.
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9609577A FR2752101B1 (fr) | 1996-07-30 | 1996-07-30 | Dispositif de generation d'impulsions ultra-courtes de rayonnement x |
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| EP97935647A EP0916236A1 (fr) | 1996-07-30 | 1997-07-29 | Dispositif de g n ration d'impulsions ultra-courtes de rayonnement x |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9609577A FR2752101B1 (fr) | 1996-07-30 | 1996-07-30 | Dispositif de generation d'impulsions ultra-courtes de rayonnement x |
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|---|---|
| FR2752101A1 true FR2752101A1 (fr) | 1998-02-06 |
| FR2752101B1 FR2752101B1 (fr) | 1998-10-09 |
Family
ID=9494628
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR9609577A Expired - Fee Related FR2752101B1 (fr) | 1996-07-30 | 1996-07-30 | Dispositif de generation d'impulsions ultra-courtes de rayonnement x |
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Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
| GB2268802A (en) * | 1992-07-09 | 1994-01-19 | Agency Ind Science Techn | Photo-electron spectroscopy apparatus |
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|---|---|---|---|---|
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1996
- 1996-07-30 FR FR9609577A patent/FR2752101B1/fr not_active Expired - Fee Related
-
1997
- 1997-07-29 EP EP97935647A patent/EP0916236A1/fr not_active Withdrawn
- 1997-07-29 WO PCT/FR1997/001413 patent/WO1998005189A1/fr not_active Application Discontinuation
Patent Citations (1)
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| GB2268802A (en) * | 1992-07-09 | 1994-01-19 | Agency Ind Science Techn | Photo-electron spectroscopy apparatus |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2752101B1 (fr) | 1998-10-09 |
| WO1998005189A1 (fr) | 1998-02-05 |
| EP0916236A1 (fr) | 1999-05-19 |
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|---|---|---|---|
| ST | Notification of lapse |