Sources X par interaction laser - plasma :

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• Sources X par interaction laser - plasma
• état de lart et applications
• dans le cadre du projet COLA
• F. Dorchies

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Projet COLA (CELIA - CPMOH)

• X-durs
• 10 à 100 keV
• X large bande
• 1 à 10 keV

• Laser Eclipse
• 40 fs, 200 mJ, 10 Hz
• Laser Aurore
• 30 fs, 25 mJ, 1 kHz

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Sources X au CELIA

• 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 lIPF
• Equipe ENL du CENBG (depuis 2003)
• gt Objectif du projet COLA élargir
  lutilisation de ces sources
• gt Objectif de cette journée susciter des
  collaborations locales

Cf. exposé de Franck Gobet
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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
4. Spectroscopie dabsorption X  fine  (seuils,
   XANES, EXAFS)
5. Imagerie dans les X-durs (médical, )
6. Questions, discussions, propositions,

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Principe général

• Sources X  laser - plasma 
• Le laser crée un plasma
• Le laser apporte de lénergie aux électrons
• Les ions et les électrons conduisent à une
  émission X intense

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Principe général

• Interaction laser-cible solide en régime
  femtoseconde
• Emission X thermique
• X  supra-thermiques 
• gt Impulsions X
• extrêmement brèves
• Autres mécanismes plus spécifiques (non décrits)
• Laser jet de gaz en régime relativiste
• Laser faisceau délectrons

plasma
cible
X
X
electrons
impulsion laser
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Emission X  supra-thermique 

• Similaire à un tube X à électrons
• Raies caractéristiques (Ka, ) bremsstrahlung
• Avantages
• Grand nb de photons / tir dans une taille de
  source µm
• Durée 100 fs, émission dans la gamme 10-100 keV

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Emission X  thermique 

• Nombreuses raies (? degrés dionisation)
• 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)

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Exemple cible Al couche K
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Exemple cible Al couche K
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Exemple cible Al couche K
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Exemple cible Al couche K

• gt Spectres de raies ( qques eV) diagnostic
  riche du plasma

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Exemple cible Er couche M

• gt Accès à des spectres large-bande ( 100 eV)

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Différents types de cibles

• Adapter la cible à la haute cadence (10 Hz - 1
  kHz)
• Différents régimes dinteraction

pas de débris grande Te accessible absorption
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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
4. Spectroscopie dabsorption X  fine  (seuils,
   XANES, EXAFS)
5. Imagerie dans les X-durs (médical, )
6. Questions, discussions, propositions,

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Les diagnostics X adaptés

• 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, jusquà
  500 keV
• Caméra à balayage de fente X
• Résolution temporelle 0.8 ps rms
• Couplage possible avec spectromètre haute
  résolution

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
Cf. exposé de Franck Gobet
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Durée du rayonnement

• Rayonnement  supra-thermique  (Ka)
• Rayonnement essentiellement monochromatique
• Durée X durée laser ? temps darrêt des
  électrons
• gt qques 100 fs démontré (diffraction résolue
  en temps)
• Rayonnement  thermique 
• Couche K gt raies monochromatiques
• Couche M gt 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

Agrégats, solide effet géométrie, gt sub-ps
short-range Order and Electron ultra-fast
DYnamics in Phase transition from solid to
WDM (soumis en 2008) F. Dorchies
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Mesures de durée (1/2)

• Rayonnement  thermique  cible agrégats (Ar)
• Raies de couche K 3 keV
• Expansion très rapide
• gt Durée qques 100 fs

Agrégats, solide effet géométrie, gt sub-ps
short-range Order and Electron ultra-fast
DYnamics in Phase transition from solid to
WDM (soumis en 2008) F. Dorchies
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Mesures de durée (2/2)

• Rayonnement  thermique  cible solide ( 1.5
  keV)
• Expansion moins rapide
• gt Durée qques ps

Agrégats, solide effet géométrie, gt sub-ps
Couche M Er (large bande)
Couche K Al (raies)
short-range Order and Electron ultra-fast
DYnamics in Phase transition from solid to
WDM (soumis en 2008) F. Dorchies
réponse caméra
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En pratique

• Rayonnement incohérent
• Emission isotrope dans 2p - 4p sr
• Exemple de nombres de photons émis (laser kHz, 5
  mJ)
• Agrégats Ar _at_ 3 keV gt 106 ph/eV/sr/tir
• Solide Al _at_ 1.6 keV gt 107-8 ph/eV/sr/tir
• Solide Er _at_ 1.6 keV gt 107-8 ph/eV/sr/tir
• Rendement énergie laser gt 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

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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
4. Spectroscopie dabsorption X  fine  (seuils,
   XANES, EXAFS)
5. Imagerie dans les X-durs (médical, )
6. Questions, discussions, propositions,

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Equipées pour manips  pompe-sonde 
Ligne X multi-keV large bande
2 mJ, 30 fs - 3 ps
Laser Aurore 1 kHz
8 mJ, 30 fs - 3 ps
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Equipées pour manips  pompe-sonde 
Ligne X-durs
10 mJ, 30 fs - 3 ps
Laser Eclipse 10 Hz
200 mJ, 30 fs - 3 ps
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Spectroscopie dabsorption X  fine 
Ligne X multi-keV large bande

• Spectroscopie dabsorption X près des seuils
• gt accès à lordre atomique local dun
  échantillon
• Flanc K de lAluminium pour commencer
• gt source X large bande adaptée (1.5 - 1.7 keV)

Alu 1 µm
structures spectrales
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XANES EXAFS
Ligne X multi-keV large bande
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Double spectromètre X
Ligne X multi-keV large bande
Cristal KAP 1 spectre transmis
Détecteur X
Echantillon Al
Source X
Cristal KAP 2 spectre incident
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Mesures de spectres XANES
Ligne X multi-keV large bande
Al 1 µm
Flanc K Al 1.559 keV
Espace
Energie X
Al2O3 2000 Å
Flanc K Al 1.564 keV
Reference
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Mesures de spectres XANES
Ligne X multi-keV large bande
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ANR OEDYP
Ligne X multi-keV large bande
 short-range Order and Electron ultra-fast
DYnamics in Phase transition from solid to WDM 
(soumis 2008) gt Etude dynamique de la
transition de phase ultra-rapide solide - WDM
chauffage des électrons ionisation
solide
WDM
expansion
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Calculs XANES dans la WDM
Ligne X multi-keV large bande
Cf. exposé dOlivier Peyrusse
DFT
Transition (solide gt WDM) clairement mesurable
O. Peyrusse, J. Phys. Condens. Matter 20 (2008)
195211
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Source X-durs pour limagerie
Ligne X-durs

• Plus prospectif, mais court terme
• Laser Eclipse mis en service fin Mai 2008
• Salle dexpérience été 2008
• Projet collaboratif entre le CENBG et le CELIA
• Projet  SOPHIA  (Univ. Bx I, CNRS, Région
  Aquitaine)
• gt Enceinte expérimentale équipée et
  opérationnelle
• Projet  MCP3LI2  (Univ. Bx I, CNRS, CEA,
  Aquitaine)
• gt Métrologie peu à peu mise en place
• Application envisagée à limagerie médicale

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Exemple 1 Mammographie
Ligne X-durs

• Imagerie de micro-calcifications (éch.
  mammographique)
• Intérêt 1 source µm gt grande résolution
  spatiale
• Intérêt 2 énergie de raie X optimisée
• Source X
• Grandissement 2
• Cible Mo filtre Mo gt 17.5 keV
• (optimum pour 4 cm sein comprimé)

Résultats obtenus à lINRS, Québec, Canada
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Exemple 2 Angiographie
Ligne X-durs

•  Dual Energy Substraction Angiography 
• Angiographie dun rat mort iode injectée
• Intérêt 1 source µm gt grande résolution
  spatiale
• Intérêt 2 flexibilité fine des énergies de raie
  X
• Deux sources X
• Source 1 cible Ba (32.2 keV)
• Source 2 cible La (33.4 keV)
• Flanc K Iode 33.2 keV

Résultats obtenus à lINRS, Québec, Canada
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Message général

• La source X est développée et optimisée en
  fonction de chaque application visée
• Linteraction avec les utilisateurs est donc
  nécessaire
• Elle guide le développement  intelligent  des
  sources

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Merci de votre attention

1. Introduction générale sur les sources X  laser -
   plasma 
2. Diagnostics X développés
3. Quelques caractéristiques des sources X  laser -
   plasma 
4.  Lignes de lumière X  disponibles et
   applications envisagées
5. Spectroscopie dabsorption X  fine  (seuils,
   XANES, EXAFS)
6. Imagerie dans les X-durs (médical, )
7. Questions, discussions, propositions,