SPEEP: une source intense d’électrons de basse énergie extraits d’une cathode plasma en expansion Franck Gobet X.Raymond, M.Versteegen F. Hannachi, J.L.Henares, M. Tarisien, Centre d’Etudes Nucléaires de Bordeaux Gradignan (CENBG/ Université de Bordeaux/CNRS-IN2P3) 1 Journées Accélérateurs 2017/ Jeudi 5 Octobre 2017 1

Le contexte: un faisceau d’électrons pour une mesure de section efficace d’excitation nucléaire. Diffusion inélastique d’électrons Sections efficaces peu connues dans la gamme keV – 10s keV: e noyau 181Ta: noyau stable, 1st état excité 6.2 keV et T1/2 = 6.8 µs Etudes théoriques: 10 -33 – 10-30 cm2 autour de 20 – 50 keV Des mesures sont nécessaires V.S. Letokhov et al., Laser Phys 4, 382 (1994) G.Gosselin et al., Phys. Rev. C 79, 014604 (2009) E.V. Tkalya, Phys. Rev. C 85, 044612 (2012) A.Dzyublik et al., EPL 102, 62001 (2013) 2

Le contexte: un faisceau d’électrons pour une mesure de section efficace d’excitation nucléaire. Diffusion inélastique d’électrons Sections efficaces peu connues dans la gamme keV – 10s keV: e noyau 181Ta: noyau stable, 1st état excité 6.2 keV et T1/2 = 6.8 µs Etudes théoriques: 10 -33 – 10-30 cm2 autour de 20 – 50 keV Des mesures sont nécessaires V.S. Letokhov et al., Laser Phys 4, 382 (1994) G.Gosselin et al., Phys. Rev. C 79, 014604 (2009) E.V. Tkalya, Phys. Rev. C 85, 044612 (2012) A.Dzyublik et al., EPL 102, 62001 (2013) Ta e- bunch Dimensionnement d’une expérience: Electrons de 50 keV Efficacité de détection de 30% Epaisseur de cible 5 µm 1017 electrons incidents sur cible Durée d’un paquet < µs 2

Source Pulsée d’Electrons Extraits d’un Plasma SPEEP: Source Pulsée d’Electrons Extraits d’un Plasma YAG laser 1J, 9 ns, 10 Hz plasma laser Aluminum target Electrode with V’>V V<0 E Electron beam Si 1013 électrons extraits par paquet: 10 000 tirs laser pour atteindre 1017 électrons ~ 1 H Production expansion plasma Extraction des électrons Excitation nucléaire 3 Groupe Evaluation AERES 13-14 janvier 2011 4

Distributions en énergie des ions dans le plasma Production Plasma expansion Electron extraction Distributions en énergie des ions dans le plasma laser 10-5 mbar 10-7 mbar dN2ion/dEdW (eV-1sr-1) Plasma Aluminum Target -U 2 +U 2 10 20 30 Windowless Electron Multiplier(WEM) Ion energy(keV) Mesure des distributions absolues en énergie Des ions à des énergies de 30 keV. M.Comet et al, J. Applied Physics 119, 013301 (2016) 1015 électrons libres dans le plasma 4

Dynamique d’expansion du plasma Production Plasma expansion Electron extraction Dynamique d’expansion du plasma De dN2ion/dEdW Profil longitudinal de la densité d’ions @ un instant donné + plasma quasi neutre Profil longitudinal de la densité électronique Vz (Front avant du plasma) ~ 400 km.s-1 Le front avant du plasma met 120/125 ns pour s’éloigner de 5 cm de la cible 5 Groupe Evaluation AERES 13-14 janvier 2011 6

Extraction d’électrons: un schéma simple avec deux électrodes Production Plasma expansion Electron extraction Extraction d’électrons: un schéma simple avec deux électrodes Target Faraday cup Vtgt<0V Target VFC<0V D = 5 cm Faraday cup eˉ E E ‘ 0 V Vscope > 0 : ions Vscope< 0 : electrons Deux électrodes E : champ électrique d’extraction E’ : champ électrique d’analyse 6 Groupe Evaluation AERES 13-14 janvier 2011 7

Extraction d’électrons: un schéma simple avec deux électrodes Production Plasma expansion Electron extraction Extraction d’électrons: un schéma simple avec deux électrodes Vtgt= -5 kV VFC = 0 V Extracted e- Target ions ~120 ns Faraday cup Vtgt<0V Target VFC<0V D = 5 cm Faraday cup eˉ E E ‘ 0 V Vscope > 0 : ions Vscope< 0 : electrons Deux électrodes E : champ électrique d’extraction E’ : champ électrique d’analyse 6 Groupe Evaluation AERES 13-14 janvier 2011 8

Extraction d’électrons: un schéma simple avec deux électrodes Production Plasma expansion Electron extraction Extraction d’électrons: un schéma simple avec deux électrodes Vtgt= -5 kV VFC = 0 V Extracted e- Target ions ~120 ns Faraday cup Vtgt<0V Target VFC<0V D = 5 cm Faraday cup eˉ E E ‘ 0 V Deux électrodes E : champ électrique d’extraction E’ : champ électrique d’analyse @ - 5 kV : plus de 2×1013 électrons sont extraits 6 Groupe Evaluation AERES 13-14 janvier 2011 9

L’extraction des électrons: un processus dynamique Production Plasma expansion Electron extraction L’extraction des électrons: un processus dynamique Vtgt = - 5000 V Target VFC<0V D = 5 cm Faraday cup eˉ E E ‘ 0 V Diviseur de tension capacitif Etude en VFC: Distribution en énergie des électrons extraits La distribution en énergie dépend du temps Corrélation entre la tension cible et l’énergie moyenne des électrons extraits Etude en VFC: Distribution en énergie des électrons extraits La distribution en énergie dépend du temps 7

Simulation PIC 2D de l’extraction des électrons Production Plasma expansion Electron extraction Simulation PIC 2D de l’extraction des électrons But: Décrire le mécanisme et propriétés d’extraction des électrons à un instant donné d’expansion du plasma @ 40 ns XOOPIC code Univ. Berkeley r-z coordonnées cylindriques 640 µm x 5.1 cm 64 x 1024 cellules ~ 103-104 macro particules Plasma neutre homogène Al8+ Te ~ eV Dt = 1 ps ~ 2000 steps - 5 kV 8 Groupe Evaluation AERES 13-14 janvier 2011 11

Simulation PIC 2D de l’extraction des électrons Production Plasma expansion Electron extraction Simulation PIC 2D de l’extraction des électrons But: Décrire le mécanisme et propriétés d’extraction des électrons à un instant donné d’expansion du plasma @ 40 ns * 2 profils longitudinaux: Composante longitudinale de la vitesse des électrons Potentiel électrique * Distribution en énergie des électrons @ anode XOOPIC code Univ. Berkeley r-z coordonnées cylindriques 640 µm x 5.1 cm 64 x 1024 cellules ~ 103-104 macro particules Plasma neutre homogène Al8+ Te ~ eV Dt = 1 ps ~ 2000 steps - 5 kV 8 Groupe Evaluation AERES 13-14 janvier 2011 12

Quelques résultats de simulation PIC 2-D (1) Production Plasma expansion Electron extraction Quelques résultats de simulation PIC 2-D (1) Vitesse longitudinale des électrons plasma @ 40 ns plasma @ 100 ns 9

Quelques résultats de simulation PIC 2-D (1) Production Plasma expansion Electron extraction Quelques résultats de simulation PIC 2-D (1) Vitesse longitudinale des électrons Profil du potentiel plasma @ 40 ns plasma plasma plasma @ 100 ns 9

Quelques résultats de simulation PIC 2-D (1) Production Plasma expansion Electron extraction Quelques résultats de simulation PIC 2-D (1) Vitesse longitudinale des électrons Distribution en énergie des électrons Profil du potentiel plasma @ 40 ns plasma 4 – 5 keV plasma plasma @ 100 ns 2 keV Les électrons sont extraits d’une cathode plasma en mouvement Le champ électrique est écranté dans le plasma en expansion Evolution du potentiel de la cathode plasma avec le temps 9

Quelques résultats de simulation PIC 2-D (2) L’extraction des électrons est réalisée sur la face avant du plasma en expansion XOOPIC simulations en accord avec Les données expérimentales @ 3 et 5 kV. Evolution temporelle de l’energie moyenne des électrons prédictible pour d’autres tensions cible X.Raymond et al, soumis à J. Applied Physics (2017) Qu’en est-il du courant et de la densité surfacique? 10

Courant et distributions de surface laser Aluminum target 0V Vtgt=-5000V Eext Nd-YAG 1J 10Hz 9 ns 1013 Wcm-2 Courant et distributions de surface Expérience : Vtgt= -5 kV and VFC = 0 V Collimateurs en forme d’anneaux de rayon 4 à 26.5 mm Symétrie cylindrique des électrons extraits Somme sur tous anneaux: 125 A au maximum (100 ns ) ! Ne décroit quand on s’éloigne de l’axe de symétrie VFC= 0V Faraday cup eˉ Voltage divider 70 nF 11

Estimation du courant dans un modèle simple Al plasma Vtgt (t) VCP (t) 50° e- Vide r (t) d (t) 0 V Cible Al Faraday Cup grille A un instant donné : Rayon r(t) de la cathode plasma et distance d(t) à la grille à partir des distributions MBC et d’un angle d’ouverture mesuré à 0° VCP (t)= énergie des électrons mesurée à cet instant Vide entre la cathode plasma et la grille Émission des électrons dans un « faisceau » parallèle Limite en courant Child Langmuir 2D : Courant maximal: 2 A ! Validité de l’hypothèse du vide? 12

Estimation du courant dans un modèle simple Al plasma Vtgt (t) VCP (t) 50° e- Vide r (t) d (t) 0 V Cible Al Faraday Cup grille A un instant donné : Rayon r(t) de la cathode plasma et distance d(t) à la grille à partir des distributions MBC et d’un angle d’ouverture mesuré à 0° VCP (t)= énergie des électrons mesurée à cet instant Vide entre la cathode plasma et la grille Émission des électrons dans un « faisceau » parallèle Limite en courant Child Langmuir 2D : Courant maximal: 2 A ! Validité de l’hypothèse du vide? 12

L’extraction des électrons se déroule dans un préplasma A un instant donné : Rayon r(t) de la cathode plasma et distance d(t) à la grille à partir des distributions MBC et d’un angle d’ouverture mesuré à 0° VCP (t)= énergie des électrons mesurée à cet instant Préplasma entre la cathode plasma et la grille Al plasma Vtgt (t) VCP (t) 50° e- Anisotropic preplasma r (t) d (t) 0 V q Al target Faraday Cup grid 13

L’extraction des électrons se déroule dans un préplasma A un instant donné : Rayon r(t) de la cathode plasma et distance d(t) à la grille à partir des distributions MBC et d’un angle d’ouverture mesuré à 0° VCP (t)= énergie des électrons mesurée à cet instant Préplasma entre la cathode plasma et la grille Al plasma Vtgt (t) VCP (t) 50° e- Anisotropic preplasma r (t) d (t) 0 V q Al target Faraday Cup grid PIC simulation box A un instant donné: Calcul du profil spatial du « faisceau » d’électrons extraits 13

Préplasma: un champ extracteur d’électrons Distance to the symmetry axis (mm) @ 70 ns Le préplasma génère un champ électrique supplémentaire extracteur d’électrons @ 90 ns Simulations XOOPIC en accord avec les données expérimentales @ 110 ns M.Versteegen et al, en préparation 14

SPEEP: Source Pulsée d’Electrons Extraits d’un Plasma Conclusion Preuve de principe : Vtgt= -3 et -5 kV Mesures des distributions en énergie et surfacique L’énergie des e- extraits décroit au cours de l’extraction Distribution surfacique maximale dans l’axe de symétrie Mesures validées par simulations PIC (XOOPIC) 4x1013 e- extraits par paquet 1h. D’acquisition @ 1Hz = 1017 électrons Upgrade pour obtenir des e- de quelques 10 keV : Modification du set-up pour augmenter Vtgt Collab. CEA - CESTA/Bruyères: montée et tenue en tension à 30 kV. Perspectives Mise en route du dispositif à plusieurs dizaines de keV Reproduction des résultats à 5 kV Montée en énergie progressive (10 kV en 07/2017) Dimensionnement d’une mesure de taux d’excitation Mise en œuvre de la mesure 15