Power absorption mechanisms and energy transfer in X-ray gas attenuators

par Álvaro Martín Ortega

Thèse de doctorat en Physique de la matière condensée et du rayonnement

Sous la direction de Manuel Sánchez del Río et de Yves Dabin.

Soutenue le 19-01-2017

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec European synchrotron radiation facility (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Ana Lacoste.

Les rapporteurs étaient Thierry Belmonte, Jean-Pierre Boeuf.

  • Titre traduit

    Mécanisme d'absorption de puissance et transfert énergétique dans un atténuateur à gaz du rayonnement X


  • Résumé

    Le travail effectué dans le cadre de cette thèse porte sur l'étude d'un atténuateur de rayonnement X à gaz et du plasma produit à l'intérieur. Un atténuateur à gaz est composé d'une chambre remplie du gaz, généralement argon ou krypton à quelques centaines de millibars, qui absorbe la partie de basse énergie d'un spectre de rayonnement X de synchrotron, en réduisant la puissance reçu par les éléments optiques en aval sans affecter les propriétés de la partie de haute énergie du spectre. L'absorption des photons crée une région de gaz chaud et ionisé autour du parcours du faisceau X, en réduisant la densité du gaz localement. A détaillé bilan énergétique entre tous les processus impliqués c'est nécessaire pour être capable de prédire l'absorption et opérer et dessiner atténuateurs a gaz efficacement. Un modèle hybride que combine techniques de modélisation Monte Carlo et fluides à été développé pour déterminer le bilan énergétique et simuler l'absorption de rayonnement X. Le modèle a été valide expérimentalement pas études incluant absorption de puissance, spectroscopie optique d'émission et spectroscopie d'absorption par laser à diodes. Les résultats des simulation et expériences montre un plasma confiné autour du parcours du faisceau X, recombinant dans le volume de gaz et avec une température maximale de plusieurs centaines de Kelvin. Le modèle a été capable de prédire l'absorption de rayons X avec un erreur de entre 10 et 20%, qui permettre son utilisation comme première approximation pour le dessin et opération de atténuateurs a gaz et aussi comme point de partie pour modèles plus affinées.


  • Résumé

    The work done in the context of this thesis focuses in the study of an X-ray gas attenuator and the plasma produced within. An X-ray gas attenuator consists on a vessel filled with gas, usually argon or krypton at a few hundreds millibars, that absorbs the low energy fraction of a synchrotron X-ray spectrum, reducing the power received by downstream optical elements without affecting the properties of the high energy part of the spectrum. The absorption of the photons creates a region of hot, ionized gas around the X-ray beam path, decreasing locally the gas density. A detailed energy balance between all the involved processes is required to be able to predict the absorption and operate and design gas attenuators efficiently. A hybrid model combining Monte Carlo and fluid modelling techniques has been developed to determine the energy balance and simulate the X-ray absorption. The model has been validated by experimental studies including power absorption, optical emission spectroscopy and tunable laser absorption spectroscopy. The results of both simulation and experiments show a plasma confined around the X-ray beam path, recombining in the bulk of the gas and with a maximum temperature of several hundreds of Kelvin. The model was able to predict the X-ray absorption within a 10-20% of error, which allows its use as a first approximation for the design and operation of gas attenuators, and also provides a starting point for more refined models.


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