Mesures de température femtoseconde du cuivre sous choc laser déduites de l'intensité de la diffusion thermique des rayons X

Contexte académique

L’étude du comportement des matériaux dans des conditions extrêmes (telles que haute pression et haute température) est un sujet important en physique de la matière condensée et en science des matériaux. La technique de choc laser permet d’appliquer des pressions extrêmement élevées à des échelles de temps nanosecondes, tandis que la diffraction des rayons X peut capturer les changements structurels des matériaux à des échelles de temps femtosecondes. Cependant, la mesure de la température dans ces expériences de compression dynamique reste un défi. Les techniques traditionnelles de mesure de température (comme la pyrométrie) sont difficiles à mettre en œuvre à de si courtes échelles de temps et sur des cibles de petite taille. Par conséquent, le développement d’une méthode permettant de mesurer avec précision la température des matériaux comprimés dynamiquement en une seule expérience est d’une grande importance.

L’équipe de recherche de cet article a utilisé un laser à électrons libres (X-ray Free-Electron Laser, XFEL) et la technique de choc laser pour proposer une méthode de mesure de la température basée sur l’intensité de la diffusion thermique diffuse (Thermal Diffuse Scattering, TDS) des rayons X. Cette méthode, en mesurant l’intensité de la diffusion thermique diffuse des rayons X d’une feuille de cuivre sous choc laser, permet de déduire la température du matériau, offrant ainsi une nouvelle solution pour la mesure de la température dans les expériences de compression dynamique.

Source de l’article

Cet article a été co-écrit par J. S. Wark et d’autres chercheurs de plusieurs institutions internationales, notamment l’Université d’Oxford au Royaume-Uni, le Lawrence Livermore National Laboratory aux États-Unis et le European XFEL en Allemagne. L’article a été publié le 21 avril 2025 dans le Journal of Applied Physics, avec le numéro d’article 137, 155904, et le DOI 10.¹⁰⁶³⁄₅.0256844.

Processus de recherche

1. Conception expérimentale et objectifs

L’objectif principal de la recherche était de mesurer l’intensité de la diffusion thermique diffuse des rayons X d’une feuille de cuivre sous choc laser pour en déduire la température du matériau. L’expérience a été réalisée à l’instrument de science à haute densité d’énergie (High Energy Density, HED) du European XFEL, situé à Schenefeld en Allemagne. L’équipe de recherche a utilisé le système laser Dipole 100-X pour choc la feuille de cuivre et a mesuré la diffraction de l’échantillon à l’aide de pulsations de rayons X uniques générées par le XFEL.

2. Préparation des échantillons et choc laser

Les échantillons utilisés dans l’expérience étaient des feuilles de cuivre de 25 microns d’épaisseur, recouvertes d’une couche de 50 microns de polyimide (Kapton) comme couche d’ablation. Le choc laser a été appliqué par des pulsations laser de 10 nanosecondes, avec une énergie maximale de 40 joules, focalisées sur un point de 500 ou 250 microns de diamètre. L’intensité des pulsations laser a été modulée linéairement dans les expériences de pression maximale pour prévenir la décroissance de la pression d’ablation.

3. Mesure de diffraction des rayons X

Pendant le choc laser, l’équipe a utilisé des pulsations de rayons X de 18 keV générées par le XFEL pour mesurer la diffraction de l’échantillon. La durée des pulsations de rayons X était de 50 femtosecondes, avec un angle d’incidence de 22,5 degrés. Les signaux de diffraction ont été enregistrés par une paire de détecteurs Varex placés symétriquement, et les positions des détecteurs ont été calibrées avec précision à l’aide de motifs de diffraction d’un échantillon de poudre standard de CeO2.

4. Traitement et analyse des données

Les données de diffraction ont été traitées en plusieurs étapes, notamment la normalisation au flux de rayons X incident, la soustraction du signal de diffusion de la couche d’ablation, la soustraction de la diffusion Compton (Compton scattering) du cuivre et la prise en compte de l’effet d’absorption des rayons X dans l’échantillon. En comparant les signaux de diffraction avant et après le choc, l’équipe de recherche a déduit le facteur de Debye-Waller (Debye-Waller factor) de la feuille de cuivre, permettant ainsi de calculer la température du matériau.

Résultats principaux

1. Changement de l’intensité de la diffusion thermique diffuse

Les résultats expérimentaux montrent que l’intensité de la diffusion thermique diffuse des rayons X de la feuille de cuivre augmente significativement avec l’augmentation de la pression de choc laser. À un rapport de volume relatif (v/v0) de 0,7, l’intensité de la diffusion thermique diffuse a augmenté de 2 à 3 fois. Ce changement indique que la température du matériau augmente significativement avec l’augmentation de la pression de choc.

2. Dérivation du facteur de Debye-Waller

En ajustant le modèle de Warren, l’équipe de recherche a déduit le facteur de Debye-Waller de la feuille de cuivre à différentes pressions de choc. Ce facteur est étroitement lié à la température du matériau, et les résultats montrent qu’à un rapport de volume relatif de 0,7, la température de la feuille de cuivre dépasse 3000 K.

3. Comparaison avec les modèles théoriques

L’équipe de recherche a comparé les résultats expérimentaux avec les prédictions des équations d’état thermiques (Equation of State, EOS) SESAME 3336 et LEOS 290. Les résultats montrent que les données expérimentales sont en accord avec les prédictions des modèles théoriques dans les marges d’erreur, validant ainsi la fiabilité de la méthode.

Conclusion et signification

Cette étude, en mesurant l’intensité de la diffusion thermique diffuse des rayons X d’une feuille de cuivre sous choc laser, a réussi à déduire la température du matériau. Cette méthode offre une nouvelle solution pour la mesure de la température dans les expériences de compression dynamique, avec une valeur scientifique et applicative importante. Les résultats expérimentaux montrent que cette méthode permet de mesurer avec précision la température du matériau en une seule expérience, offrant ainsi un outil puissant pour l’étude du comportement des matériaux dans des conditions extrêmes.

Points forts de la recherche

1. Méthode innovante : Cette étude est la première à utiliser l’intensité de la diffusion thermique diffuse des rayons X pour mesurer la température d’une feuille de cuivre sous choc laser en une seule expérience, offrant une nouvelle méthode pour la mesure de la température dans les expériences de compression dynamique.
2. Mesure de haute précision : Grâce à des mesures de diffraction des rayons X précises et à un traitement rigoureux des données, l’équipe de recherche a pu capturer les changements structurels et thermiques du matériau à des échelles de temps femtosecondes.
3. Validation théorique : Les résultats expérimentaux sont en accord avec les prédictions de deux équations d’état thermiques, validant la fiabilité et l’exactitude de la méthode.

Autres informations utiles

L’équipe de recherche a également discuté des limites de cette méthode et des directions d’amélioration futures. Par exemple, la principale source d’erreur actuelle est la précision de la mesure du flux de rayons X incident, qui pourrait être réduite par une amélioration de la conception des détecteurs. De plus, cette méthode pourrait être appliquée à l’étude d’autres matériaux, fournissant davantage de données pour l’étude du comportement des matériaux dans des conditions extrêmes.

Cette étude offre une nouvelle méthode pour la mesure de la température dans les expériences de compression dynamique, avec une valeur scientifique et applicative importante. À l’avenir, avec l’amélioration des technologies, cette méthode pourrait être appliquée dans de nombreux autres domaines.