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"

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 06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications"

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 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 Cf. exposé de Franck Gobet 06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications"

FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" Plan Introduction générale sur les sources X « laser - plasma » Quelques caractéristiques des sources X « laser - plasma » « Lignes X » disponibles et applications envisagées : Spectroscopie d’absorption X « fine » (seuils, XANES, EXAFS) Imagerie dans les X-durs (médical, …) Questions, discussions, propositions, … 06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications"

FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" Principe général 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 X impulsion laser (E, B) 06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications"

FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" Principe général 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 … plasma cible X X electrons impulsion laser 06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications"

Emission X « supra-thermique » continuum K L N M Ka Aluminium 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 atome e- 06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications"

Emission X « thermique » continuum K L N M K-shell Aluminium 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) 06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications"

Exemple : cible Al & couche K continuum K L N M Al12+ Aluminium 06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications"

Exemple : cible Al & couche K continuum K L N M Al11+ Aluminium 06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications"

Exemple : cible Al & couche K continuum K L N M Al10+ Aluminium 06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications"

Exemple : cible Al & couche K continuum K L N M Al9+ Aluminium => Spectres de raies (~ qques eV) = diagnostic riche du plasma 06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications"

Exemple : cible Er & couche M continuum K L N M Erbium => Accès à des spectres large-bande (~ 100 eV) 06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications"

Différents types de cibles Adapter la cible à la haute cadence (10 Hz - 1 kHz) Différents régimes d’interaction solide / feuille débris Te limitée par conduction thermique poudre ~ 10 µm gouttelettes ~ µm agrégats ~ 10 nm pas de débris grande Te accessible absorption ~ 90 % 06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications"

FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" Plan Introduction générale sur les sources X « laser - plasma » Quelques caractéristiques des sources X « laser - plasma » « Lignes X » disponibles et applications envisagées : Spectroscopie d’absorption X « fine » (seuils, XANES, EXAFS) Imagerie dans les X-durs (médical, …) Questions, discussions, propositions, … 06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications"

Les diagnostics X adaptés Spectros Bragg, MatriX, Streak FX 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 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 06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications"

Agrégats, solide … effet géométrie, => sub-ps Durée du rayonnement Rayonnement « supra-thermique » (Ka) 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 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 06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications"

Agrégats, solide … effet géométrie, => sub-ps Mesures de durée (1/2) Rayonnement « thermique » cible agrégats (Ar) Raies de couche K ~ 3 keV Expansion très rapide => Durée ~ qques 100 fs 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 06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications"

Agrégats, solide … effet géométrie, => sub-ps Mesures de durée (2/2) Rayonnement « thermique » cible solide (~ 1.5 keV) Expansion moins rapide => Durée ~ qques ps Agrégats, solide … effet géométrie, => sub-ps Couche K Al (raies) Couche M Er (large bande) temps Ex short-range Order and Electron ultra-fast DYnamics in Phase transition from solid to WDM (soumis en 2008) F. Dorchies temps Ex réponse caméra 06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications"

FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" En pratique Rayonnement incohérent Emission isotrope dans 2p - 4p 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 06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications"

FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" Plan Introduction générale sur les sources X « laser - plasma » Quelques caractéristiques des sources X « laser - plasma » « Lignes X » disponibles et applications envisagées : Spectroscopie d’absorption X « fine » (seuils, XANES, EXAFS) Imagerie dans les X-durs (médical, …) Questions, discussions, propositions, … 06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications"

Equipées pour manips « pompe-sonde » Ligne X multi-keV large bande 2 mJ, 30 fs - 3 ps sonde X échantillon photo-excité compresseur “sonde” “pompe” ligne à délai pompe IR cible X Laser Aurore 1 kHz 8 mJ, 30 fs - 3 ps 06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications"

Equipées pour manips « pompe-sonde » Ligne X-durs 10 mJ, 30 fs - 3 ps sonde X échantillon photo-excité compresseur “sonde” “pompe” ligne à délai pompe IR cible X Laser Eclipse 10 Hz 200 mJ, 30 fs - 3 ps 06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications"

Spectroscopie d’absorption X « fine » Ligne X multi-keV large bande 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) Alu 1 µm structures spectrales 06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications"

XANES & EXAFS Ligne X multi-keV large bande continuum M L K X 06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications"

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 06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications"

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 06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications"

Mesures de spectres XANES Ligne X multi-keV large bande 06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications"

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) => Etude dynamique de la transition de phase ultra-rapide solide - WDM chauffage des électrons ionisation solide WDM expansion 06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications"

Calculs XANES dans la WDM Ligne X multi-keV large bande DFT Cf. exposé d’Olivier Peyrusse Transition (solide => WDM) clairement mesurable O. Peyrusse, J. Phys. Condens. Matter 20 (2008) 195211 06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications"

Source X-durs pour l’imagerie Ligne X-durs 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 06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications"

Exemple 1 : Mammographie Ligne X-durs Imagerie de micro-calcifications (éch. mammographique) Intérêt 1 = source ~ µm => grande résolution spatiale Intérêt 2 = énergie de raie X optimisée Source X Grandissement = 2 Cible Mo + filtre Mo => 17.5 keV (optimum pour 4 cm sein comprimé) 250 m Résultats obtenus à l’INRS, Québec, Canada 06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications"

Exemple 2 : Angiographie Ligne X-durs « 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 X Source 1 = cible Ba (32.2 keV) Source 2 = cible La (33.4 keV) Flanc K Iode = 33.2 keV Résultats obtenus à l’INRS, Québec, Canada 06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications"

FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" Message général 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 06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications"

Merci de votre attention Introduction générale sur les sources X « laser - plasma » Diagnostics X développés Quelques caractéristiques des sources X « laser - plasma » « Lignes de lumière X » disponibles et applications envisagées : Spectroscopie d’absorption X « fine » (seuils, XANES, EXAFS) Imagerie dans les X-durs (médical, …) Questions, discussions, propositions, … 06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications"