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06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 1

Sources X par interaction laser - plasma :

état de l’art et applications

dans le cadre du projet COLA

F. Dorchies


Projet COLA (CELIA - CPMOH)

• Laser Eclipse :40 fs, 200 mJ, 10 Hz

• Laser Aurore :30 fs, 25 mJ, 1 kHz

• X-durs :10 à 100 keV

• X large bande :1 à 10 keV


• Expérimentateurs permanents :– F. Dorchies, C. Fourment, S. Hulin, J.J. Santos

• Théoriciens permanents :– O. Peyrusse, H. Jouin, B. Pons

• Thèses :– T. Caillaud (04), C. Bonté (06), S. Micheau (07), M. Harmand (09)

• Support (au CELIA) :– Laser, mécanique, commande-contrôle, informatique

• Collaboration au sein de l’IPF :– Equipe ENL du CENBG (depuis 2003)

=> Objectif du projet COLA = élargir l’utilisation de ces sources

=> Objectif de cette journée = susciter des collaborations locales

Sources X au CELIA

Cf. exposé de Franck Gobet


Plan

1. Introduction générale sur les sources X « laser - plasma »

2. Quelques caractéristiques des sources X « laser - plasma »

3. « Lignes X » disponibles et applications envisagées :1. Spectroscopie d’absorption X « fine » (seuils, XANES, EXAFS)

2. Imagerie dans les X-durs (médical, …)

4. Questions, discussions, propositions, …


• Sources X « laser - plasma »– Le laser crée un plasma

– Le laser apporte de l’énergie aux électrons

– Les ions et les électrons conduisent à une émission X intense

Principe général

impulsionlaser

(E, B)

X

X

XX

X

X


• Interaction laser-cible solide en régime femtoseconde– Emission X thermique

– X « supra-thermiques »

=> Impulsions X

extrêmement brèves

• Autres mécanismes plus spécifiques (non décrits)– Laser + jet de gaz en régime relativiste

– Laser + faisceau d’électrons

– …

Principe général

impulsionlaser

Xplasma

cible

electrons

X


• Similaire à un tube X à électrons– Raies caractéristiques (K, …) + bremsstrahlung

• Avantages– Grand nb de photons / tir dans une taille de source ~ µm

– Durée ~ 100 fs, émission dans la gamme 10-100 keV

Emission X « supra-thermique »

atome

e-

10

100

1000

104

105

5 10 15 20 25

Spectres d'émission X(impulsion laser 5mJ, 30 fs)

Cible ErCible TiCible Al

Energie photon X (keV)

ph/tir/sr/eV

L,β,...

K

e-

continuum

K

L

N

M

K

Aluminium


• Nombreuses raies (≠ degrés d’ionisation)– Energie des raies augmente avec le Z de la cible

– Pente liée à la température électronique Te

– Emission efficace quand Ex ~ qques Te (≤ multi-keV)

1000

105

107

109

1011

1013

1015

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

Calculs TRANSPEC

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

Te = 100 eVTe = 300 eV

Intensité (arb.)


K-shellL-shell

M-shell

Emission X « thermique »

continuum

K

L

N

M

K-shell

Aluminium


104

105

106

107

108

1,45 1,5 1,55 1,6 1,65 1,7 1,75

Spectres d'émission X(impulsion laser 5mJ, 3 ps)


ph/tir/sr/eV

He

K

H

LiBe

BC

continuum

K

L

N

M

Al12+

Aluminium

Exemple : cible Al & couche K


104

105

106

107

108

1,45 1,5 1,55 1,6 1,65 1,7 1,75



ph/tir/sr/eV

He

K

H

LiBe

BC

continuum

K

L

N

M

Al11+

Aluminium



104

105

106

107

108

1,45 1,5 1,55 1,6 1,65 1,7 1,75



ph/tir/sr/eV

He

K

H

LiBe

BC

continuum

K

L

N

M

Al10+

Aluminium



=> Spectres de raies (~ qques eV) = diagnostic riche du plasma


104

105

106

107

108

1,45 1,5 1,55 1,6 1,65 1,7 1,75



ph/tir/sr/eV

He

K

H

LiBe

BC

continuum

K

L

N

M

Al9+

Aluminium


Exemple : cible Er & couche M

=> Accès à des spectres large-bande (~ 100 eV)

105

106

107

108

1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2 2,1 2,2



ph/tir/sr/eV

4f -> 3d

3d -> 3p 5f -> 3d

continuum

K

L

N

M

Erbium


• Adapter la cible à la haute cadence (10 Hz - 1 kHz)– Différents régimes d’interaction

Différents types de cibles

poudre~ 10 µm

gouttelettes~ µm

agrégats~ 10 nm

solide / feuille

débrisTe limitée parconduction thermique

pas de débrisgrande Te accessibleabsorption ~ 90 %


Plan







Les diagnostics X adaptés

Spectros Bragg, MatriX, Streak FX

short-range Order and Electron ultra-fast DYnamics in Phase transition from solid to WDM

(soumis en 2008)

F. Dorchies

• Spectromètres X haute résolution (cristaux de Bragg)– Couverture du domaine multi-keV

– Résolution ~ 1 eV, gamme ~ 300 eV

• Spectromètres X large bande (comptage de photon)– Détecteur matriciel, diodes, scintillateurs + PM

– Résolution ~ 100 eV, gamme de 1 à 25 keV, jusqu’à 500 keV

• Caméra à balayage de fente X– Résolution temporelle = 0.8 ps rms

– Couplage possible avec spectromètre haute résolution

Cf. exposé de Franck Gobet


Durée du rayonnement

Agrégats, solide … effet géométrie, => sub-ps


(soumis en 2008)

F. Dorchies

• Rayonnement « supra-thermique » (K)– Rayonnement essentiellement monochromatique

– Durée X = durée laser temps d’arrêt des électrons

=> ~ qques 100 fs démontré (diffraction résolue en temps)

• Rayonnement « thermique »– Couche K => raies monochromatiques

– Couche M => spectre large-bande

– Emission X intense tant que plasma chaud et dense

– Durée X ps, voire sub-ps, dépend de :• Géométrie de la cible

• Vitesse de détente du plasma


Mesures de durée (1/2)



(soumis en 2008)

F. Dorchies

• Rayonnement « thermique » cible agrégats (Ar)– Raies de couche K ~ 3 keV

– Expansion très rapide

=> Durée ~ qques 100 fs

0

0.5

1

1.5

2

0

1

2

3

4

5

6

0 1 2 3 4 5 6X-ray intensity (arb. unit.)

X-ray duration (FWHM, ps)

Laser duration (FWHM, ps)

0

0.5

1

1.5

2

0

1

2

3

4

5

6

0 1 2 3 4 5 6X-ray intensity (arb. unit.)

X-ray duration (FWHM, ps)

Laser duration (FWHM, ps)

R ~ cs .t

ne ~1

R3~ (

1

cs .t)3


Mesures de durée (2/2)


short-range Order and Electron ultra-fast DYnamics in Phase transition

from solid to WDM(soumis en 2008)

F. Dorchies

• Rayonnement « thermique » cible solide (~ 1.5 keV)– Expansion moins rapide

=> Durée ~ qques psd ~ cs .t

ne ~1

d~

1

cs .t

Couche M Er (large bande)Couche K Al (raies)

10

102

103

104

105

-20 0 20 40 60

Profils temporels

Signal streak FX (arb. unit.)

Temps (ps)

temps

Ex

temps

Ex

réponse caméra


• Rayonnement incohérent

• Emission isotrope dans 2 - 4 sr

• Exemple de nombres de photons émis (laser kHz, 5 mJ)– Agrégats Ar @ 3 keV => ~ 106 ph/eV/sr/tir

– Solide Al @ 1.6 keV => ~ 107-8 ph/eV/sr/tir

– Solide Er @ 1.6 keV => ~ 107-8 ph/eV/sr/tir

• Rendement énergie laser => X– De qques 10-6 à qques 10-5 dans une raie de ~ 1 eV

– Près de 10-3 dans une large bande de 100 eV

En pratique


Plan







Equipées pour manips « pompe-sonde »

2 mJ, 30 fs - 3 ps

Laser Aurore1 kHz

sonde X

échantillonphoto-excité

compresseur“sonde”

compresseur“pompe”

ligneà délai

pompeIR

cible X

8 mJ, 30 fs - 3 ps

Ligne X multi-keV large bande


10 mJ, 30 fs - 3 ps

Laser Eclipse10 Hz

Equipées pour manips « pompe-sonde »

sonde X

échantillonphoto-excité

compresseur“sonde”

compresseur“pompe”

ligneà délai

pompeIR

cible X

200 mJ, 30 fs - 3 ps

Ligne X-durs


• Spectroscopie d’absorption X près des seuils=> accès à l’ordre atomique local d’un échantillon

– Flanc K de l’Aluminium pour commencer

=> source X large bande adaptée (1.5 - 1.7 keV)

Spectroscopie d’absorption X « fine »

1,52 1,54 1,56 1,58 1,6 1,62 1,64 1,66

Spectre X incident (cible Erbium)


Signal X

flanc K Al

Alu 1 µm

1,52 1,54 1,56 1,58 1,6 1,62 1,64 1,66

Spectre X transmis


Signal X

flanc K Al

structuresspectrales



XANES & EXAFS

continuum

K

L

M

X

σ if ν( ) = a hν( ) φ f R φi

2

1− f ε( )( )



Double spectromètre X

Source X

Echantillon Al

Détecteur XCristal KAP #1 : spectre transmis

Cristal KAP #2 : spectre incident



Mesures de spectres XANES

Al 1 µm

Espace

Energie XAl2O3 2000 Å

Reference

Flanc K Al = 1.559 keV

Flanc K Al = 1.564 keV



Mesures de spectres XANES

0

1

2

3

4

5

1,52 1,54 1,56 1,58 1,6 1,62 1,64 1,66

Spectres d'absorption X(flanc K Aluminium)

Sans échantillonAl 1 µmAl 2000 ÅAl2O3 2000Å


absorption (µm

-1)

flanc K Al



ANR OEDYP

« short-range Order and Electron ultra-fast DYnamics in Phase transition from solid to WDM » (soumis 2008)

=> Etude dynamique de la transition de phase ultra-rapide solide - WDM

solide WDM expansionchauffage

des électronsionisation



Calculs XANES dans la WDM

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

Solid Al (cold)Solid Al at 0.1 eV

0

0,5

1

1,5

X-ray photon energy (keV)

Absorption (unit. norm.)

O. Peyrusse, J. Phys. Condens. Matter 20 (2008) 195211

DFT

Transition (solide => WDM) clairement mesurable

Cf. exposé d’Olivier Peyrusse



• Plus prospectif, mais court terme– Laser Eclipse mis en service fin Mai 2008

– Salle d’expérience ~ été 2008

• Projet collaboratif entre le CENBG et le CELIA– Projet « SOPHIA » (Univ. Bx I, CNRS, Région Aquitaine)

=> Enceinte expérimentale équipée et opérationnelle

– Projet « MCP3LI2 » (Univ. Bx I, CNRS, CEA, Aquitaine)

=> Métrologie peu à peu mise en place

• Application envisagée à l’imagerie médicale

Source X-durs pour l’imagerieLigne X-durs


• Imagerie de micro-calcifications (éch. mammographique)Intérêt 1 = source ~ µm => grande résolution spatiale

Intérêt 2 = énergie de raie X optimisée

• Source XGrandissement = 2

Cible Mo + filtre Mo => 17.5 keV

(optimum pour 4 cm sein comprimé) 250 m

Ligne X-durs

Exemple 1 : Mammographie

Résultats obtenus à l’INRS, Québec, Canada


• « Dual Energy Substraction Angiography »Angiographie d’un rat mort + iode injectée

Intérêt 1 = source ~ µm => grande résolution spatiale

Intérêt 2 = flexibilité fine des énergies de raie X

• Deux sources XSource 1 = cible Ba (32.2 keV)

Source 2 = cible La (33.4 keV)

Flanc K Iode = 33.2 keV

Ligne X-durs

Exemple 2 : Angiographie

Résultats obtenus à l’INRS, Québec, Canada


• La source X est développée et optimisée en fonction de chaque application visée

• L’interaction avec les utilisateurs est donc nécessaire

• Elle guide le développement « intelligent » des sources

Message général


Merci de votre attention


2. Diagnostics X développés


4. « Lignes de lumière X » disponibles et applications envisagées :1. Spectroscopie d’absorption X « fine » (seuils, XANES, EXAFS)



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