Techniques de mesures de distributions en énergie des X - durs et g produits dans l’interaction laser intense - matière F. Gobet Groupe Excitations Nucléaires par Laser CENBG F.Hannachi, M.M.Aléonard, M.Gerbaux, G.Malka, C.Plaisir, M.Tarisien, J.N.Scheurer Collaboration CELIA: F.Dorchies, C.Fourment, S.Hulin, J.Santos Collaboration CEA / SPN / Bruyères-le-châtel : P.Morel, V.Méot Collaboration CEA / DAM / Bruyères-le-châtel : C.Courtois

Quels intérêts pour un physicien nucléaire de caractériser les X – durs produits dans l’interaction laser - matière?

1016 W.cm-2 Excitation nucléaire dans un plasma: - e X X 9/2- 6.2 keV E1 T1/2= 6.8 ms - e 7/2+ X Noyau 181Ta Photoexcitation X ~ 6 keV X 1016 W.cm-2 Collision électronique inélastique E > 6,2 keV Typiquement: laser « Aurore » CELIA Nécessité de connaître: Le nombre d’X émis autour de 6 keV La distribution en énergie des électrons Spectre de Brehmsstralung

Faisceaux de particules créés par laser: A plus haute intensité sur cible mince (quelques mm) X, g > qq 1018 W.cm-2 Électrons, protons, ions X-durs si cible de conversion 109 à 1012 particules en quelques 100 ps !!! Distribution continue en énergie allant à plusieurs 100 MeV!! Source potentiellement intéressante pour la gammagraphie Intérêt de ces faisceaux de particules pour le physicien nucléaire: Synchronisation de ces faisceaux avec d’autres faisceaux laser - possibilité d’étudier l’excitation ou la désexcitation nucléaire dans des cibles à l’état de plasma où soumis à un champ électromagnétique ultraintense - interaction particules – matière à l’état de plasma Études quantitatives et systématiques nécessaires pour être prédictif

Mesures de distribution en énergie des X produits dans l’interaction laser - matière: contraintes expérimentales Spécificité de ces faisceaux d’X-durs: beaucoup de photons (>1010) en peu de temps (qq 100 ps) Distribution continue en énergie allant à plusieurs dizaines de MeV…. Anisotropie pour les X très durs i.e. au delà du MeV Les lasers: basse énergie (mJ), reproductibilité, haute fréquence: étude statistique, étude photon par photon envisageable haute énergie (J – 100J), fluctuations tir à tir, basse fréquence : information en 1 seul tir Interactions X durs – matière: basse énergie: effet photoélectrique, énergie déposée en totalité dans le détecteur haute énergie: effet Compton création de paire dépôt partiel de l’énergie dans le détecteur activation nucléaire

I) Mesure de distributions d’énergie d’X-durs laser kHz « Aurore » du CELIA: Étude photon par photon Un laser kHz qq 1016 W.cm-2 sur cible Une cible de Ta tournante Une caméra CCD (MATRIX) blindée et filtrée quelques keV à 25 keV (monocoup) Un scintillateur NaI(Tl) blindé et filtré 20 keV au MeV (statistique)

I-1) Du keV à 25 keV: Matrix – CELIA (C.Fourment) substrat Zone sans champ de déplétion électrodes Environ 10 μm Ep(e) X Filtrage pour éviter la percolation Reconstruction de l’information par amas Calibrage avec source de 55 Fe Efficacité de détection à 6 keV: 7,6%

I-1) Données caméra CCD: C Fourment, F Dorchies Mesure au travers d’un filtre d’Al du flux d’X de 6.2keV produit dans le plasma de tantale Spectre de photons reconstruit E/cible = 2mJ I =2,6 10 16 W/cm2 2,2 105 X de 6,2 keV / keV.sr.tir F.Gobet et al., soumis à J.Phys.B

I-2) Au delà de 20keV… et jusqu’au MeV Un détecteur “photon par photon”: Filtre de nature et d’épaisseur choisie de manière à avoir moins de 10 événements pour 100 tirs. Nombre d’événements (photons détectés) en fonction de l’énergie déposée dans le scintillateur Spectre à déconvoluer □ 0.3mJ, 3.4 1015 W.cm-2, filtre Al 500mm ● 1mJ, 1.2 1016 W.cm-2 , filtre Cu 2mm F.Gobet et al., Rev. Sci. Instr. 77, 093302 (2006)

I-2) Vers une distribution absolue en énergie des photons dans la gamme 20 keV - 1 à 2 MeV: Au dessus de 100 keV les photons ne déposent pas toute leur énergie dans le détecteur..... Simulation Monte-Carlo GEANT 3 Géométrie + interaction particules-matière F.Gobet et al., Rev. Sci. Instr. 77, 093302 (2006)

I-2) Caractéristiques des X-durs: dépendance avec l’intensité laser Cible de Tantale Spectre continue en énergie ; processus de Brehmstralung Deux composantes au dessus de 1016 Wcm-2 Signature de mécanisme d’absorption différent de l’impulsion laser (R.Fedosejevs et al. , Proceedings 32nd EPS 2005) Distribution en énergie des électrons déterminée par le code GEANT M.M. Aléonard, J. Mod. Opt., 54, 2585 (2007) Spectres déconvolués

II) Vers des lasers plus énergétiques et de plus basse cadence Photons de plus hautes énergies (au-delà du MeV) Comment obtenir le maximum d’information en un seul tir? une solution: l’activation nucléaire M.Gerbaux et al. Rev. Sci. Instr. 79, 023504 (2008) 238U (g,n) 237U 107Ag (g,n) 106Ag 63Cu (g,n) 62Cu 181Ta (g,3n)178Ta 12C (g,n) 11C g

II) Un exemple: le couple 11C; 62Cu Programme RX2 en cours sur ALISE (CEA/CESTA) γ n LASER e- γ 63Cu +  → 62Cu + n CONVERTISSEUR γ n 12C +  → 11C + n N 11-C / N 62-Cu Eg Tg (MeV)

62Cu → 62Ni + e+ + νe T1/2 = 9,7 minutes II) La mesure du nombre de réactions 62Cu → 62Ni + e+ + νe T1/2 = 9,7 minutes 11C → 11B + e+ + νe T1/2 = 20,4 minutes Observable: désintégration du positronium (e+,e-): 2 g de 511 keV émis dans la même direction et en sens opposé. Le nombre de coïncidences mesuré permet de remonter au nombre de réactions ( ,n) qui ont eu lieu dans l’échantillon NaI NaI

ANR « Nathalie » / Région aquitaine Jusqu’à 16 bancs de mesure… II) Vers une mesure de distribution angulaire n γ LASER Axe de symétrie e-  n γ ANR « Nathalie » / Région aquitaine M. Tarisien Jusqu’à 16 bancs de mesure…

- Un savoir faire dans l’interaction particules – matière Conclusions - Un savoir faire dans l’interaction particules – matière mis à profit pour l’étude de faisceaux de particules produits par laser Des techniques utilisées en aquitaine sur les chaînes Aurore (CELIA), et ALISE (CESTA) Des techniques à développer sur la chaîne Eclipse (pour photons de quelques 100 keV)

Quality of the simulation: comparison of experimental and simulated energy distributions of a 109 Cd source

Energy distributions of the electrons as a function of the laser intensity: I=4.7 1016 Wcm-2 and 6.4 1015 Wcm-2 Comparison of the simulated and experimental photon energy distributions