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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
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04/10/07 6èmes Journées Plasmas Froids _ Bonascre 2
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
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04/10/07 6èmes Journées Plasmas Froids _ Bonascre 3
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)
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04/10/07 6èmes Journées Plasmas Froids _ Bonascre 4
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
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04/10/07 6èmes Journées Plasmas Froids _ Bonascre 5
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
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04/10/07 6èmes Journées Plasmas Froids _ Bonascre 6
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
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04/10/07 6èmes Journées Plasmas Froids _ Bonascre 7
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
+ …
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04/10/07 6èmes Journées Plasmas Froids _ Bonascre 8
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
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04/10/07 6èmes Journées Plasmas Froids _ Bonascre 9
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-
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04/10/07 6èmes Journées Plasmas Froids _ Bonascre 10
Sources X « synchrotron » (1)
• Champ laser relativiste (Ilas > 1018 W/cm2)
Diffusion Thomsonnon-linéaire
Oscillations “Bétatron”
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04/10/07 6èmes Journées Plasmas Froids _ Bonascre 11
Sources X « synchrotron » (2)
• Diffusion Compton Inverse– électrons relativistes (~ 50 MeV)– photons laser (~ 1 eV) => X (~ 50 keV)
électrons
photons IR
électrons
photons X
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04/10/07 6èmes Journées Plasmas Froids _ Bonascre 12
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
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04/10/07 6èmes Journées Plasmas Froids _ Bonascre 13
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
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04/10/07 6èmes Journées Plasmas Froids _ Bonascre 14
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
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04/10/07 6èmes Journées Plasmas Froids _ Bonascre 15
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
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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
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04/10/07 6èmes Journées Plasmas Froids _ Bonascre 17
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
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04/10/07 6èmes Journées Plasmas Froids _ Bonascre 18
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
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04/10/07 6èmes Journées Plasmas Froids _ Bonascre 19
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
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04/10/07 6èmes Journées Plasmas Froids _ Bonascre 20
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
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04/10/07 6èmes Journées Plasmas Froids _ Bonascre 21
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
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04/10/07 6èmes Journées Plasmas Froids _ Bonascre 22
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
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04/10/07 6èmes Journées Plasmas Froids _ Bonascre 23
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
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04/10/07 6èmes Journées Plasmas Froids _ Bonascre 24
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
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04/10/07 6èmes Journées Plasmas Froids _ Bonascre 25
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
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04/10/07 6èmes Journées Plasmas Froids _ Bonascre 26
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
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04/10/07 6èmes Journées Plasmas Froids _ Bonascre 27
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
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04/10/07 6èmes Journées Plasmas Froids _ Bonascre 28
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
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04/10/07 6èmes Journées Plasmas Froids _ Bonascre 29
Exemple de source X kHz
• Laser Aurore, CELIA30 fs, 5 + 1 mJ, 1 kHz
• Cible solideX multi-keV, durée ps
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04/10/07 6èmes Journées Plasmas Froids _ Bonascre 30
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
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04/10/07 6èmes Journées Plasmas Froids _ Bonascre 31
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
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04/10/07 6èmes Journées Plasmas Froids _ Bonascre 32
EXAFS / XANES
continuum
K
L
M
X
σ if ν( )= a hν( ) φ f R φi
21− f ε( )( )
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04/10/07 6èmes Journées Plasmas Froids _ Bonascre 33
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
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04/10/07 6èmes Journées Plasmas Froids _ Bonascre 34
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.)
Energie photon X (keV)
Al K-edge
M-band
Source X avec une cible de Z élevé
continuum
K
L
N
M
X
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04/10/07 6èmes Journées Plasmas Froids _ Bonascre 35
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
Energie photon X (keV)
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
Energie photon X (keV)
Inte
nsité
(ph/
eV/s
r/tir)
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04/10/07 6èmes Journées Plasmas Froids _ Bonascre 36
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
Energie photon X (keV)
Inte
nsité
(ph/
eV/s
r/tir)
2000 autres tirs laser
2000 tirs laser
2 % � fluctuations � 1 %
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04/10/07 6èmes Journées Plasmas Froids _ Bonascre 37
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
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04/10/07 6èmes Journées Plasmas Froids _ Bonascre 38
XANES statique de l’Al froid
• Un seul cristal utilisé pour les spectres transmis et de référence
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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
Energie photon X (keV)
Abs
orpt
ion
(uni
t. no
rm.)
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04/10/07 6èmes Journées Plasmas Froids _ Bonascre 39
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
Energie photon X (keV)
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
Energie photon X (keV)
Abs
orpt
ion
(uni
t. no
rm.)
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04/10/07 6èmes Journées Plasmas Froids _ Bonascre 40
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