Post on 03-Apr-2015
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
06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 2
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
06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 3
• 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
06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 4
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, …
06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 5
• 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
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• 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
06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 7
• 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
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• 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.)
Energie photon X (keV)
K-shellL-shell
M-shell
Emission X « thermique »
continuum
K
L
N
M
K-shell
Aluminium
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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)
Energie photon X (keV)
ph/tir/sr/eV
He
K
H
LiBe
BC
continuum
K
L
N
M
Al12+
Aluminium
Exemple : cible Al & couche K
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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)
Energie photon X (keV)
ph/tir/sr/eV
He
K
H
LiBe
BC
continuum
K
L
N
M
Al11+
Aluminium
Exemple : cible Al & couche K
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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)
Energie photon X (keV)
ph/tir/sr/eV
He
K
H
LiBe
BC
continuum
K
L
N
M
Al10+
Aluminium
Exemple : cible Al & couche K
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=> Spectres de raies (~ qques eV) = diagnostic riche du plasma
Exemple : cible Al & couche K
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)
Energie photon X (keV)
ph/tir/sr/eV
He
K
H
LiBe
BC
continuum
K
L
N
M
Al9+
Aluminium
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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
Spectres d'émission X(impulsion laser 5mJ, 3 ps)
Energie photon X (keV)
ph/tir/sr/eV
4f -> 3d
3d -> 3p 5f -> 3d
continuum
K
L
N
M
Erbium
06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 14
• 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 %
06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 15
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, …
06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 16
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
06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 17
Durée du rayonnement
Agrégats, solide … effet géométrie, => sub-ps
short-range Order and Electron ultra-fast DYnamics in Phase transition from solid to WDM
(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
06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 18
Mesures de durée (1/2)
Agrégats, solide … effet géométrie, => sub-ps
short-range Order and Electron ultra-fast DYnamics in Phase transition from solid to WDM
(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
06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 19
Mesures de durée (2/2)
Agrégats, solide … effet géométrie, => sub-ps
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
06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 20
• 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
06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 21
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, …
06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 22
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
06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 23
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
06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 24
• 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)
Energie photon X (keV)
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
Energie photon X (keV)
Signal X
flanc K Al
structuresspectrales
Ligne X multi-keV large bande
06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 25
XANES & EXAFS
continuum
K
L
M
X
σ if ν( ) = a hν( ) φ f R φi
2
1− f ε( )( )
Ligne X multi-keV large bande
06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 26
Double spectromètre X
Source X
Echantillon Al
Détecteur XCristal KAP #1 : spectre transmis
Cristal KAP #2 : spectre incident
Ligne X multi-keV large bande
06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 27
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
Ligne X multi-keV large bande
06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 28
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
Energie photon X (keV)
absorption (µm
-1)
flanc K Al
Ligne X multi-keV large bande
06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 29
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
Ligne X multi-keV large bande
06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 30
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
Ligne X multi-keV large bande
06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 31
• 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
06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 32
• 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
06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 33
• « 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
06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 34
• 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
06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 35
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 :1. Spectroscopie d’absorption X « fine » (seuils, XANES, EXAFS)
2. Imagerie dans les X-durs (médical, …)
5. Questions, discussions, propositions, …