Interaction of an intense X/XUV-ray with matter: associated atomic physics
Description
This work follows the recent development of the free electron lasers in the X-ray and XUV-ray range (XFEL). Unlike optical sources that deposit their energy via the free electrons, the X/XUV photons deposit their energy directly via photoionization of inner shell electrons with the ejection of photo-electrons, followed by the ejection of Auger electrons and three body recombination electrons in the free electron distribution. The matter is thus heated via the atomic structure. The high XFEL intensity allows one to make up to one hole per atom in a solid, thus producing, on a femtosecond time scale, an exotic state, highly out of equilibrium, called hollow cristal. This unstable exotic state de-excite via a set of elementary atomic processes. In this work we were interested in the development of tools to calculate the atomic population kinetics, coupled to the free electron kinetics, during the transition at constant ionic density, from solid to dense plasma, induced by an XFEL irradiating a solid target. The goal here was to calculate this out of equilibrium coupled kinetics between states of matter having a very different nature. To address this problem we have developed two kinetics models of XFEL interaction with solids. In both these models the description of the solid as a cold degenerated plasma allowed us to use the same plasma approach during all the solid-plasma transition. Considering the fact that all the atomic physics takes place at solid density, way before the matter relaxation, we have developed two codes, associated with these two models, for a use at constant ionic density. To approach this study, we first focused on the bound electron kinetics assuming a free electron distribution at equilibrium (i.e. hypothesis of instantaneous thermalization of the free electrons). In the framework of the dense plasma approach extended up to the solid state, we have developed a generalized collisional radiative model. This generalization goes through the identification of a link between the solid state and the plasma state for the elementary atomic processes. The code associated with this model allowed us to study experimental results and to improve our description of the density effects in dense plasmas. In a second part the free electron kinetics is included in the model with a free electron distribution out of thermodynamic equilibrium. The associated code, based on the discretization of this distribution and its coupling with bound atomic states allowed us to study the role of the atomic elementary processes in the free electron distribution thermalization. (author)
Abstract (French)
Ce travail de these suit l'apparition recente de ces nouvelles sources intenses et courtes de rayonnement dans la gamme X/XUV que sont les lasers X/XUV a electrons libres (XFEL). Contrairement aux sources optiques qui deposent principalement leur energie via les electrons libres, les photons X/XUV deposent leur energie dans la matiere par la photoionisation de couches internes avec ejection de photo-electrons, suivie par l'ejection d'electrons Auger et d'electrons de recombinaison a trois corps dans la distribution d'electrons libres. Le chauffage se fait donc par l'intermediaire de la structure atomique. La forte intensite des XFELs permet de faire jusqu'a un trou par atome dans un solide produisant ainsi, sur une echelle femtoseconde, un etat exotique fortement hors-equilibre appele solide creux. Cet etat exotique instable se desexcite via un ensemble de processus atomiques elementaires. Nous nous sommes interesses dans cette these au developpement d'outils permettant de calculer la cinetique des populations atomiques, couplee a la cinetique des electrons libres, pendant la transition a densite ionique constante, de solide a plasma dense en passant par l'etat de solide creux, induit par le rayonnement XFEL irradiant une cible solide. Tout le defi ici a ete de calculer cette cinetique couplee hors-equilibre entre ces etats de la matiere de nature tres differente. Pour repondre a ce defi nous avons developpe deux modeles cinetiques d'interaction XFELsolide, pour lesquels la description d'un solide comme un plasma froid degenere nous a permis d'utiliser une meme approche plasma pendant l'ensemble de la transition du solide au plasma. L'ensemble de la physique atomique HETL d'interet ayant lieu a densite du solide, bien avant la detente de la matiere, nous avons developpe deux codes associes a ces modeles pour une utilisation a densite ionique constante. Pour aborder l'etude nous nous sommes d'abord concentres sur la cinetique des electrons lies en supposant une distribution d'electrons libres a l'equilibre (ce qui suppose une thermalisation instantanee des electrons libres). Dans le cadre de l'approche de plasma dense etendue jusqu'au solide, nous avons developpe un modele collisionnel-radiatif generalise. Cette generalisation passe par l'identification d'un lien entre etat solide et plasma au niveau des processus atomiques elementaires. Le code developpe a partir de ce modele nous a permis d'etudier des resultats experimentaux et ainsi d'ameliorer notre description des effets de densites dans les plasmas denses. Dans une seconde partie nous avons ajoute a l'etude la cinetique des electrons libres en considerant une distribution d'electrons libres hors-equilibre. Le code associe, base sur la discretisation de cette distribution et son couplage avec les etats lies, nous a permis d'etudier le role des processus atomiques elementaires dans la thermalisation de la distribution d'electrons libres
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Additional details
Additional titles
- Original title (French)
- Interaction d'un rayonnement X-XUV intense avec la matiere: cinetique atomique associee
Identifiers
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 141 p.
- Report number
- FRCEA-TH--8097
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 48072149
- Subject category
- S74: ATOMIC AND MOLECULAR PHYSICS;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- ATOMIC PHYSICS; FREE ELECTRON LASERS; INNER-SHELL EXCITATION; KINETICS; PHOTOIONIZATION; X RADIATION
- Descriptors DEC
- ELECTROMAGNETIC RADIATION; ENERGY-LEVEL TRANSITIONS; EXCITATION; IONIZATION; IONIZING RADIATIONS; LASERS; PHYSICS; RADIATIONS
Optional Information
- Notes
- 88 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the 'INIS contacts' section of the INIS-NKM website for current contact and E-mail addresses: http://www.iaea.org/inis/Contacts/; Also available from Bibliotheques de l'Universite de Bordeaux, 351 Cours de la Liberation, 33400 Talence (France)