Diode Self Magnetic Pinch pour la radiographie éclair. Rémi Maisonny CEA/DAM/GRAMAT Journées des accélérateurs 2015, Roscoff, 07/10/2015 24 avril 2017 CEA | 10 AVRIL 2012

Le rayonnement X pour la radiographie éclair La radiographie éclair est utilisée afin de caractériser l’état de la matière soumise à des chocs forts ou à une densification importante. Les conditions sont extrêmes et nécessitent des sources X particulières, conditionnées par l’objet à étudier. Matière à étudier en mouvement (qq km/s) et dense Détecteurs d’imagerie Source X Protection pyrotechnique de la source Protection pyrotechnique des détecteurs La source X adaptée est donc: Impulsionnelle (≈ 50ns). Intense (entre 1 et 500 rads@1m dans l’air). Pénétrante (spectre X « dur »). De faible dimension (quelques mm). Reproductible. Fiable. 1Gy=100rads 24 avril 2017

Les filières technologiques opérationnelles Le rayonnement de freinage permet de produire des sources adaptées à la radiographie éclair. 2 types de technologies sont opérationnelles à la DAM pour produire des faisceaux intenses: Accélérateur à induction Générateur+Diode Exemple: AIRIX (20MeV,2kA,60ns) Exemples: LTD 1MV en diode SMP (1MeV,180kA) ASTERIX en diode SMP (4MeV,130kA) …

Générateur + diode Stocker l’énergie électrique Commuter l’énergie Machine de radiographie = générateur HPP + une diode. Le générateur HPP délivre une impulsion HT à la diode. La diode (=cathode+anode) convertie l’impulsion HT en rayonnement X. Le moyen d’obtenir une impulsion de haute puissance pulsée la plus brève possible consiste à stocker l’énergie nécessaire dans une « ligne » et de la décharger à la vitesse de l’onde électromagnétique dans le diélectrique. Stocker l’énergie électrique Générateur de Haute Puissance Pulsée (HPP) Diode Commuter l’énergie Mise en forme de l’énergie Conversion de l’énergie Faible puissance Forte puissance (TW)

Le générateur de HPP ASTERIX du CEA GRAMAT Le générateur ASTERIX est constitué d’un générateur de Marx contenant 64 étages chargés à 100kV (192kJ) qui va charger une ligne de type Blumlein (35Ω) en 500ns. La décharge de la Blumlein va produire une impulsion brève au niveau de la diode (6.4MV/130kA/50ns) . Par conception, la machine ASTERIX produit des sources X de dimensions importantes (~10cm). Objectif de l’étude: produire et caractériser des sources X de plus petites dimensions (qq mm) auprès de ce générateur en modifiant la diode notamment.

Démarche adoptée dans nos études de R&D Méthodologie adoptée pour la conception de la nouvelle diode:

Modélisation de la machine de radiographie Un élément essentiel dans le design des machines de radiographie est le couplage entre le générateur HPP et la diode. Générateur HPP => Code circuit PSICE,BERTHA Dynamique des particules => Méthode PIC : code Large Scale Plasma (LSP) Conversion e-/X => Méthode Monte-Carlo: code MCNP Vin Vtube huile vide Conducteur central Diode Toury et al, IEEE 2005 M. Ribière et al, IEEE TNS 2015.

Fonctionnement simplifié d’une diode SMP 1/2 Objectifs: Focaliser le faisceau d’électrons sur la zone la plus petite possible :  Tache focale. Maintenir la tension accélératrice aux bornes de la diode le plus longtemps possible :  Dose. diode Self Magnetic Pinch (SMP Vin Vtube huile vide Conducteur central Diode Simulations PIC réalisées en 2D axisymétrique principalement. 2-20 millions de mailles. 16-512 processeurs. ≈ 20Go de coordonnées de particules à analyser à l’anode (terme source pour MCNP).

Fonctionnement simplifié d’une diode SMP 2/2 Schéma de fonctionnement type 1) La tension monte, le courant produit est faible, le champ magnétique induit aussi. 2) Les électrons traversent le gap axialement. 3) la cible est chauffée sous l’effet de dépôt d’énergie (e- primaires et secondaires) => un plasma est produit. 4) Des ions (majoritairement H+) sont accélérés dans le gap et neutralisent en charge le faisceau (régime bipolaire). 5) Le faisceau se pince de plus en plus sous l’action de son champ magnétique induit. Un équilibre s’établit.

Les résultats expérimentaux: la « grande cathode » La configuration dite « grande cathode » : Φ=2*rc=12,5mm, gap=entre 8 et 12 mm. Monocoup =>1tir=1jour

Performances électriques de la diode « grande cathode » Aux bornes de la diode: la tension est élevée (~4MV), le courant important (~130kA). Le transfert d’énergie avec le générateur est efficace sur la durée : bon couplage entre la Blumlein (35Ω) et la diode. Stabilité de la diode en termes de performances électriques.

Performances radiographiques de la diode « grande cathode » La dose est peu sensible à une variation de gap. L’accord sur la dose à 1m avec la simulation (LSP+MCNP) est de l’ordre de 15% Les taches focales X sont de petites dimensions (qq mm) => le faisceau d’électrons se pince correctement. La simulation PIC n’explique pas le comportement à 10,75mm. Pour une même configuration (g=10,5mm), les performances X sont reproductibles (7tirs). La plus petite TF obtenue (g=10,75mm) est de 3,46 mm (1,4*FWHM de la LSF) pour une dose de 125rads@1m (FOM=D/TF2=10,4rads/mm2) [1]. [1] B. Etchessahar et al, PoP, 20, 103117 (2013).

Imagerie visible du plasma Un plasma visible est observé pendant le fonctionnement de la diode dans son gap avec une caméra CCD intensifiée. . Tache focale X (sténopé) Il semble exister une corrélation entre l’asymétrie observée à l’anode (plasma visible) et la tache focale X (sténopé). 24 avril 2017

Fonctionnement non nominal de la diode L’utilisation d’une plus petite cathode (Φ=9mm) a entrainé un disfonctionnement de la diode (dose plus faible, facteur 2). Le débit de dose est plus faible essentiellement et les radiations s’arrêtent prématurément. La tension s’effondre et le courant augmente. La diode est en court-circuit pendant l’impulsion HPP => ce comportement n’est pas prédit par les simulations PIC. Hypothèse : une fermeture prématurée du gap due à l’expansion des plasmas de cathode et d’anode  effet négatif, à maîtriser.

Conclusions La méthodologie utilisée pour dimensionner les diodes de radiographie est une démarche itérative basée sur des simulations numériques couplées (PIC/MC) et des caractérisations expérimentales. La diode SMP à 4 MV, en configuration grande cathode produit une source X adaptée à la radiographie éclair. Dose=125rads@1m; TF=3,46 mm (1,4*FWHM LSF) ; Diode stable dont le fonctionnement est reproductible. L’imagerie visible au sein de la diode met en évidence des plasmas qui se détendent dans le gap. La fermeture prématuré du gap pourrait expliquer le fonctionnement non nominal de la diode dans certaines configurations (petit gap). Les expériences démontrent le bon caractère prédictif de nos simulations mais font également ressortir leurs limitations actuelles, notamment : dans les domaines dans lesquels les détentes de plasmas ne peuvent plus être négligées ; les simulations sont réalisées en 2D contre 3D en expérience ; les hypothèses simplifiées (états de surface…).

Perspectives Investiguer expérimentalement des petites cathodes (potentiellement plus performantes). Prendre en compte les effets plasmas dans les simulations (PIC hybride[1] ) Réaliser des simulations 3D (défauts de symétrie). Intégration de diagnostics supplémentaires: Spectro d’émission visible (mesure des espèces, états de charge…);. Interférométrie laser. Ombroscopie laser. TF résolue en temps [1] D.R Welch et al, PoP,16, 123102 (2009).

Remerciements M. Caron, M.Ribière, S. Cartier, F. Cartier, L. Hourdin, M. Toury, S. Ritter, F. Zucchini, D. Plouhinec, D. Sol, T. D’Almeida, I. Soleilhavoup, C. Delbos, A. Carrigue., G.Auriel, B. Etchessahar, B. Bicrel, T. Desanlis, L. Voisin. V. Bernigaud, F. Poulet, R. Nicolas, L. Magnin, Y.Tailleur.

Direction DAM/GRAMAT Département DEA Service SERE/LDRX Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives Centre de Saclay | 91191 Gif-sur-Yvette Cedex T. +33 (0)1 XX XX XX XX | F. +33 (0)1 XX XX XX XX Etablissement public à caractère industriel et commercial | RCS Paris B 775 685 019 Direction DAM/GRAMAT Département DEA Service SERE/LDRX CEA | 10 AVRIL 2012 24 avril 2017