Techniques de mesures de distributions en énergie des X - durs et

produits dans l’interaction laser intense - matière

F. Gobet

Groupe Excitations Nucléaires par LaserGroupe Excitations Nucléaires par Laser CENBGCENBG

F.Hannachi, M.M.Aléonard, M.Gerbaux, G.Malka, C.Plaisir, M.Tarisien, J.N.Scheurer

Collaboration CELIA: F.Dorchies, C.Fourment, S.Hulin, J.Santos

Collaboration CEA / SPN / Bruyères-le-châtel : P.Morel, V.Méot

Collaboration CEA / DAM / Bruyères-le-châtel : C.Courtois

Quels intérêts pour un physicien nucléaire

de caractériser les X – durs

produits dans l’interaction laser - matière?

Excitation nucléaire dans un plasma:

1016 W.cm-2

Typiquement: laser « Aurore » CELIA

X ~ 6 keV

X

X

T1/2= 6.8 s

6.2 keV9/2-

7/2+

Noyau 181Ta

E1

E > 6,2 keV

-

Photoexcitation

Collision électronique inélastique

Nécessité de connaître:

- Le nombre d’X émis autour de 6 keV- La distribution en énergie des électrons

Spectre de Brehmsstralung

e

Faisceaux de particules créés par laser:

Électrons, protons, ions

Source potentiellement intéressante pour la gammagraphie

Intérêt de ces faisceaux de particules pour le physicien nucléaire:

Synchronisation de ces faisceaux avec d’autres faisceaux laser- possibilité d’étudier l’excitation ou la désexcitation nucléaire

dans des cibles à l’état de plasma où soumis à un champ électromagnétique ultraintense- interaction particules – matière à l’état de plasma

A plus haute intensité sur cible mince (quelques m)

Études quantitatives et systématiques nécessaires pour être prédictif

> qq 1018 W.cm-2

X-durs si cible de conversion

X,

109 à 1012 particules en quelques 100 ps !!!Distribution continue en énergie allant à plusieurs 100 MeV!!

Mesures de distribution en énergie des X produits dans l’interaction laser - matière: contraintes expérimentales

Spécificité de ces faisceaux d’X-durs: beaucoup de photons (>1010) en peu de temps (qq 100 ps)Distribution continue en énergie allant à plusieurs dizaines de MeV….Anisotropie pour les X très durs i.e. au delà du MeV

Les lasers:basse énergie (mJ), reproductibilité,

haute fréquence: étude statistique, étude photon par photon envisageable

haute énergie (J – 100J), fluctuations tir à tir, basse fréquence :

information en 1 seul tir

Interactions X durs – matière:

basse énergie: effet photoélectrique, énergie déposée en totalité dans le détecteur

haute énergie: effet Comptoncréation de paire dépôt partiel de l’énergie dans le détecteuractivation nucléaire

I) Mesure de distributions d’énergie d’X-durs laser kHz « Aurore » du CELIA:

Étude photon par photon

Une caméra CCD(MATRIX)

blindée et filtréequelques keV à 25 keV

(monocoup)

Un scintillateur NaI(Tl)blindé et filtré

20 keV au MeV(statistique)

Une cible de Ta tournante

Un laser kHzqq 1016 W.cm-2

sur cible

I-1) Du keV à 25 keV: Matrix – CELIA (C.Fourment)

substrat

Zone sans champ

Zonede déplétion

électrodes

Environ 10 μm

Ep(e

)

Filtrage pour éviter la percolation Reconstruction de l’information par amas Calibrage avec source de 55 Fe Efficacité de détection à 6 keV: 7,6%

X

Mesure au travers d’un filtre d’Al du flux d’X de 6.2keV produit dans le plasma de tantale

I-1) Données caméra CCD:C Fourment, F Dorchies

2,2 105 X de 6,2 keV / keV.sr.tir

Spectre de photons reconstruit

E/cible = 2mJ

I =2,6 10 16 W/cm2

F.Gobet et al., soumis à J.Phys.B

I-2) Au delà de 20keV… et jusqu’au MeV

Un détecteur “photon par photon”:Filtre de nature et d’épaisseur choisiede manière à avoir moins de 10 événements pour 100 tirs.

Nombre d’événements (photons détectés) en fonction de l’énergie déposée dans le scintillateur

Spectre à déconvoluer

□ 0.3mJ, 3.4 1015 W.cm-2, filtre Al 500m ● 1mJ, 1.2 1016 W.cm-2 , filtre Cu 2mm

F.Gobet et al., Rev. Sci. Instr. 77, 093302 (2006)

I-2) Vers une distribution absolue en énergie des photons dans la gamme 20 keV - 1 à 2 MeV:

Au dessus de 100 keV les photons nedéposent pas toute leur énergie dans le détecteur.....

Simulation Monte-Carlo GEANT 3Géométrie + interaction particules-matière

incincincdéposéeE incdéposé dEENEEkENdéposé

)(),()(det

F.Gobet et al., Rev. Sci. Instr. 77, 093302 (2006)

I-2) Caractéristiques des X-durs: dépendance avec l’intensité laser

Spectres déconvolués

Cible de Tantale

Spectre continue en énergie ; processus de Brehmstralung

Deux composantes au dessus de 1016 Wcm-2

Signature de mécanisme d’absorptiondifférent de l’impulsion laser

(R.Fedosejevs et al. , Proceedings 32nd EPS 2005)

Distribution en énergie des électrons déterminéepar le code GEANT

M.M. Aléonard, J. Mod. Opt., 54, 2585 (2007)

II) Vers des lasers plus énergétiques et de plus basse cadence

238U (,n) 237U

107Ag (,n) 106Ag

63Cu (,n) 62Cu

181Ta (,3n)178Ta

12C (,n) 11C

Photons de plus hautes énergies (au-delà du MeV) Comment obtenir le maximum d’information en un seul tir?

une solution: l’activation nucléaire

M.Gerbaux et al. Rev. Sci. Instr. 79, 023504 (2008)

n

n

LASER

γ

γ

γe-

63Cu + → 62Cu + n

II) Un exemple: le couple 11C; 62Cu

CO

NV

ER

TIS

SE

UR

CO

NV

ER

TIS

SE

UR

E

)(

dE

dNLn

T

E

12C + → 11C + n

TMeV

N 1

1-C

/ N

62

-Cu

Programme RX2 en cours sur ALISE (CEA/CESTA)

62Cu → 62Ni + e+ + νe T1/2 = 9,7 minutes

NaI

Le nombre de coïncidences mesuré permet de remonter au nombre de réactions ( ,n) qui ont eu lieu dans l’échantillon

NaI

11C → 11B + e+ + νe T1/2 = 20,4 minutes

II) La mesure du nombre de réactions

Observable: désintégration du positronium (e+,e-): 2 de 511 keV émis dans la même direction et en sens opposé.

Axe de symétrie

ANR « Nathalie » / Région aquitaine M. Tarisien

Jusqu’à 16 bancs de mesure…

LASER

e-

II) Vers une mesure de distribution angulaire

n

n

γ

γ

Conclusions

- Un savoir faire dans l’interaction particules – matière mis à profit pour l’étude de faisceaux de particules

produits par laser

- Des techniques utilisées en aquitaine sur les chaînes Aurore (CELIA), et ALISE (CESTA)

- Des techniques à développer sur la chaîne Eclipse (pour photons de quelques 100 keV)

Quality of the simulation: comparison of experimental and simulated energy distributions of a 109 Cd source

Energy distributions of the electrons as a function of the laser intensity: I=4.7 1016 Wcm-2 and 6.4 1015 Wcm-2

Comparison of the simulated and experimental photon energy distributions