sources plasma de rayonnement x créées par...

QuickTime™ et undécompresseur TIFF (non compressé)

sont requis pour visionner cette image.

04/10/07 6èmes Journées Plasmas Froids _ Bonascre 1

Sources plasma de rayonnement Xcréées par laser

Fabien Dorchies

CELIA, Université Bordeaux I - CEA - CNRS, Talence, France




Laboratoires concernés en France

• CELIA :Université Bordeaux

• CEA-DAM :CESTA, Le Barp (LMJ)

• LULI, LOA, LOB, LIXAM :Ecole Polytechnique

• CEA-DSM :Saclay

• CEA-DAM :Bruyères-le-Châtel

(sur le plan expérimental)

Bonascre




Les installations laser de puissance

• Lasers très énergétiques de classe nanoseconde– 10 J à 1 kJ, voire plus (MégaJoule)– 1 à 10 ns– cadence limitée (qques tirs / jour)

• Lasers femtoseconde intenses– 10 mJ à 1 J– 10 à 100 fs– puissance crête élevée (=> éclairement Ilas = 1016-21 W/cm2)– cadence élevée (1 kHz, 10 Hz)




Grands projets actuels (1)

• High Power laser Energy Research facility– démonstration de la faisabilité de la Fusion par Laser comme

future source d’énergie

– 200 kJ en ns– 70 kJ en ps– PETAL = « 1er pas »

– construction 2010 (UK ?)– 1ers tirs 2014

www.hiperlaser.eu




Grands projets actuels (2)

• Extreme Light Infrastructure– régime ultra-relativiste : Ilas > 1023 W/cm2 (laser ExaWatt)

– atto-science– faisceaux de particules

et rayons X– physique nucléaire

– projet en cours (LOA ?)

www.extreme-light-infrastructure.eu




Plan de l’exposé

• Introduction

• I - Différentes stratégies de sources X-UV et X par laser

• II - Rayonnement X de plasmas créés par laser

• III - Quelques applications de ces sources X

• IV - Les sources X ultra-brèves

• V - Spectroscopie fine d’absorption X résolue en temps




Mécanismes de base

• Optique fortement non-linéaire (XUV)

• Transitions radiatives– X => niveaux profonds => plasmas

• Accélération d’une charge– Bremsstrahlung, Synchrotron, FEL, …

• Physique nucléaire– rayonnement gamma (plus exotique)

X

e-X

continuum

K

L

NM

ω

+3ωlaser ω

+ …




Génération d’harmoniques

• Au seuil d’ionisation d’un gaz (Ilas ~ 1014 W/cm2)– faisceau cohérent dans l’XUV jusqu’à ~ qques nm

0 20 40 60 80 100

nom

bre

de p

hoto

ns

ordre de l'harmonique

« cut-off »

≈ 1010

« plateau »:≈ 108

laser

gaz

laser + harmoniques

- capillaire creux- jet de gaz- cellule de gaz




Source XUV attoseconde

• Train d’impulsions attoseconde (~ qques 100 as)– période = demi-cycle laser

• Isoler une impulsion attoseconde unique– impulsion laser très brèves (+ diverses ruses)– contrôler la phase absolue du champ laser

champ laser

X-UV

X - UVe-




Sources X « synchrotron » (1)

• Champ laser relativiste (Ilas > 1018 W/cm2)

Diffusion Thomsonnon-linéaire

Oscillations “Bétatron”




Sources X « synchrotron » (2)

• Diffusion Compton Inverse– électrons relativistes (~ 50 MeV)– photons laser (~ 1 eV) => X (~ 50 keV)

électrons

photons IR

électrons

photons X




Plan de l’exposé

• Introduction









Sources X plasma

• Interaction laser-cible– production d’un plasma chaud (100 eV - 1 keV) et dense– émission X limitée par l’expansion hydrodynamique

• Régime fs - ps– densité ~ solide– durée ~ ps ou sub-ps

• Régime ns– densité plus faible– émission X ns

laser

cible

plasma

X

X

X

X




1000

105

107

109

1011

1013

1015

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Calculs TRANSPECAl (Z = 13) : ne = nc = 1.72x1021 cm-3

Te = 100 eVTe = 300 eV

Inte

nsité

(arb

.)

Energie photon X (keV)

K-shellL-shell

M-shell

Emission « thermique » d’un plasma

continuum

K

L

NM

X




Quelques remarques

• Position des raies (physique atomique des plasmas chauds)– dépend du numéro atomique Z de la cible– Z augmente => énergie des raies augmente

• Intensité émise dans les raies– dépend de la température du plasma– limite cette source à la gamme multi-keV

• Cas d’un plasma optiquement épais– émission + absorption + … – raies => planckienne (corps noir)

1000

105

107

109

1011

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

1000

105

107

109

1011

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3




Lasers X-UV

continuum

K

L

NM

• Conditions– inversion de population (plasma hors équilibre)– milieu à gain en longueur

• Différents schémas (≥ 7.3 nm)– laser ns, ps & fs, cible solide & gaz– rendement ~ 10-6 - 10-5 => ~ 1 mJ– durée de 10 à qques 100 ps

• Amplification d’harmoniques– injection dans un plasma laser X-UV=> cohérence et brièveté des harmoniques




Emission « supra-thermique »

• Electrons supra-thermiques– 10 keV - 1 MeV, dépend de Ilas

– interaction en profondeur

• Rayonnement X ~ tube X– bremsstrahlung, raies Kα, …– X-durs ≥ 10 keV, ultra-bref ~ 100 fs

cible solide

laser

X

X

X

X

bremsstrahlung

atome

e-

K

L…

Kα




Plan de l’exposé

• Introduction









Propriétés radiatives des plasmas chauds et denses

• Mesure d’émissivités– produire un plasma homogène caractérisé (densité, température)– mesurer son spectre d’émission X

• Mesure d’opacités– spectroscopie d’absorption X– utilise une source X large-bande

• Valider des codes complexes de physique atomique– très peu de données exploitables

• Intérêt large: physique générale, astrophysique, fusion




Diagnostiques X de plasmas laser

• Spectroscopie d’émission X du plasma– raies + profils de raie => densité, température, ionisation– utilisation d’éléments marqueurs

• Radiographie X-durs– dimension (=> densité)

• Diffusion Thomson X– densité et température électroniques

spectromètre

plasmaX

X

X

X




Fusion inertielle attaque indirecte

• L’énergie laser est convertie en rayonnement X-UV et X– rendement efficace ~ 70 %– corps noir ~ qques 100 eV– cavité en or = « Hohlraum »

• Le rayonnement X comprime la cible D-T– compression homogène




Lithographie X-UV

• Réduire la longueur d’onde actuelle– réduire la taille du motif– réduire la taille des composants

• Développement de sources X-UV @ 13.5 nm– 13.5 nm défini par optiques réfléchissantes existantes– différentes techniques dont sources par laser




Imagerie médicale (& industrielle)

• Rayonnement X-dur (10 - 100 keV)– sources quasi-ponctuelles– choix de l’énergie X avec la cible– durée brève (augmentation du signal / dose)

• Mammographie– haute résolution

• Radiographies élaborées– angiographie à deux couleurs– radiographie du petit animal

250 µm




Plan de l’exposé

• Introduction









Sources X ultra-brèves

• Interaction laser-cible en régime femtoseconde– haute cadence accessible (10 Hz - 1 kHz)

• Sources X laser « synchrotron »– Ilas ≥ 1019 W/cm2 => ∆tX ~ durée laser ~ qques 10 fs

• Rayonnement supra-thermique– Ilas ≥ 1017 W/cm2 => ∆tX ~ qques 100 fs

• Rayonnement thermique– Ilas ≥ 1016 W/cm2 => ∆tX ~ ps ou sub-ps




Détecteurs X ultra-rapides

• Caméra à balayage de fente (« streak »)

source X

caméraCCD

amplificateurde lumière

lignefocale

cristal Bragg

camérastreakλ

• résolution spectrale ~ 1 eV• résolution temporelle ~ 1 ps

énergie photon X

temps




Expériences « Pompe - Sonde »

• Variation du délai entre pompe et sonde X => film– résolution temporelle = max (∆tlas, ∆tX) = ∆tX

– pompe = laser ou dérivé (UV, électrons, protons, …)

lasersonde X

échantillonexcité

pompe

délai




Différents types de cibles

• Compromis nécessaire en fonction de l’application visée– gestion des débris, de la haute cadence– choix du numéro atomique Z de la cible

poudre~ 10 µm

gouttes~ µm

agrégats~ 10 nm

solide

débriscible à changer tir à tir~ tous les Z accessibles

peu ou pas de débriscible renouvelable au kHz

Z limités




Exemple de source X kHz

• Laser Aurore, CELIA30 fs, 5 + 1 mJ, 1 kHz

• Cible solideX multi-keV, durée ps




Plan de l’exposé

• Introduction









Contexte scientifique

• Sources X ultra-brèves pour la spectroscopie d’absorption (ps ou sub-ps)– Expériences « pompe (laser fs) / sonde (X) »

• Objectifs scientifiques :– Spectroscopie d’absorption X près des seuils

(XANES & EXAFS)– « Warm Dense Matter » (0.1 - qques eV)– Transitions de phase (solide-solide-liquide-plasma)

Spectroscopie d’absorption X près des seuils (XAFS)=> données sur l’ordre structurel local

échantillonlaser fs

source X




EXAFS / XANES

continuum

K

L

M

X

σ if ν( )= a hν( ) φ f R φi

21− f ε( )( )




Requis pour des expériences XAFS

• Requis élémentaires de la XAFS :– Source X large bande sur qques 100 eV– Haute résolution spectrale ~ 1 eV– Gamme énergétique ajustée avec le seuil K ou L considéré

• Un grand rapport Signal / Bruit est exigé :– modulations spectrales de qques 10 % pour le XANES– de qques % seulement pour l’ EXAFS

• Durée de la source X nécessaire à l’étude de la WDM :– ∆tX ≤ 10 ps ~ durée d’expansion d’une cible solide @ 1 eV




108

109

1010

1011

1012

1013

0,5 1 1,5 2 2,5

Calcul AVEROES / TRANSPECSm (Z = 62) : ne = nc = 1.72x1021 cm-3

Te = 450 eVIn

tens

ité (a

rb.)


Al K-edge

M-band

Source X avec une cible de Z élevé

continuum

K

L

N

M

X




Quelle cible pour le seuil K de l’Al ?

Calculs Mesures

• Etude de l’émission X de Sm, Gd, Dy, Er, Yb(Z = 62, 64, 66, 68, 70)

0

2 1012

4 1012

6 1012

8 1012

1 1013

1,55 1,6 1,65 1,7

Er (Z = 68) : ne = nc = 1.72x1021 cm-3

Te = 300 eVTe = 400 eVTe = 500 eV


transitions 3d -> 4f

Inte

nsité

(arb

.)

0

5 106

1 107

1,5 107

2 107

1,55 1,6 1,65 1,7

Er irradié avec 5 mJ, 3 ps


Inte

nsité

(ph/

eV/s

r/tir)




Stabilité de la source X kHz

0

5 106

1 107

1,5 107

2 107

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

Er irradié avec 5 mJ, 3 ps

1,52 1,54 1,56 1,58 1,6 1,62 1,64

Ratio


Inte

nsité

(ph/

eV/s

r/tir)

2000 autres tirs laser

2000 tirs laser

2 % � fluctuations � 1 %




Mesure de durées de sources X

0

0,5

1

1,5

-10 0 10 20 30 40

Erbium irradié avec 5 mJ

Temps (ps)

Inte

nsité

(uni

t. no

rm.) ²t

las = 1ps

²tlas

= 3ps

²tlas

= 5ps

réponsedétecteur

Temps• Source X large bande ≤ 10 ps

Ex

∆tlas = 1 ps 3 ps 5 ps




XANES statique de l’Al froid

• Un seul cristal utilisé pour les spectres transmis et de référence



CCD

Ex (keV)

Plast. / Plast. + Al

KAP

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,52 1,54 1,56 1,58 1,6 1,62 1,64

Er irradié avec 4 mJ, 3 ps (10s accum.)échantillon = Al 1 μm épais.

pos #1pos #2pos #3pos #4Synchrotron


Abs

orpt

ion

(uni

t. no

rm.)




Mesures et calculs XANES

• Modulations XANES exploitables avec épaisseur ≤ 1000 Å(compatible avec une WDM chauffée par laser)

• Reproduites par les calculs

0

0,5

1

1,5

1,52 1,54 1,56 1,58 1,6 1,62

Er irradié avec 4 mJ, 3 ps (30s accum.)échantillon = Al épaisseur variable

2 µm1 µm5000 Å2000 Å1000 Å


Abs

orpt

ion

(uni

t. no

rm.)

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,52 1,54 1,56 1,58 1,6 1,62

Absorption calculée : Al fcc

11 atomes43 atomes


Abs

orpt

ion

(uni

t. no

rm.)




Perspectives

• Mesures XANES de WDM (Al) :– Chauffage laser de l’Al et caractérisation (~ 0.1 - 1 eV, solide)– Expérience Pompe (laser fs) / Sonde (X)

• Mode mono-coup compatible avec autres chauffages :– Protons créés par laser (volume chauffé grand et homogène)– Chocs engendrés par laser (densités > solide)

• Ouvrir le champ d’applications :– Transitions de phase ultra-rapide (sub-ps)– Biologie

sources plasma de rayonnement x créées par...

Documents