Faisceaux d’ions accélérés par interaction d’un laser intense avec un jet de gaz dense et application à l’analyse élémentaire

Laser-driven ion acceleration with high-density gas-jet targets and application to elemental analysis

• Auteur / Autrice : Pilar Puyuelo Valdes
• Direction : Fazia Hannachi, Patrizio Antici
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique, Plasmas, nucléaire
• Date : Soutenance le 05/10/2020
• Etablissement(s) : Bordeaux en cotutelle avec Institut national de la recherche scientifique (Québec, province)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre d'études nucléaires Bordeaux Gradignan
• Jury : Président / Présidente : Sophie Kazamias
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fazia Hannachi, Patrizio Antici, Sophie Kazamias, Alessandro Flacco, Luca Volpe, Jean-Claude Kieffer
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Alessandro Flacco, Luca Volpe

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie des rayons X

Jets -- Fluides, Dynamique des

Interactions laser-plasma

Ions -- Migration et vitesse

Mots clés libres

Jet de gaz surcritique

Acceleration des ions par laser

Plasma

Particle-Induced X-Ray emission (PIXE)

X-Ray fluorescence (XRF)

Analyse élémentaire

Laser driven ion acceleration

Over critical gas jet

Plasma

Particle-Induced X-Ray emission (PIXE)

X-Ray fluorescence (XRF)

Elementary Analysis

Résumé

Cette thèse en cotutelle entre la France et le Canada étudie l’accélération d’ions dans l’interaction laser-plasma. La première partie, réalisée au CENBG et sur l’installation PICO2000 du laboratoire LULI à l'École Polytechnique de Palaiseau, présente des études expérimentales, complétées par des simulations numériques de type Particle-In-Cell, portant sur l’accélération d’ions dans l'interaction d'un laser infrarouge de haute puissance avec une cible gazeuse de haute densité. La seconde, réalisée avec le laser ALLS de l’institut EMT INRS, concerne le développement d'une application des faisceaux génerés par laser pour l’analyse élémentaire d’échantillons. Dans le manuscrit, les caractéristiques des deux lasers, des différents diagnostics de particules et d’X utilisés (paraboles de Thomson, films radiochromiques, CCD...) ainsi que les configurations expérimentales sont décrites.Les jets de gaz denses supersoniques utilisés comme cibles d'interaction laser au LULI, sont présentés en détail; depuis leur conception grâce à des simulations de dynamique des fluides, jusqu’à la caractérisation de leurs profils de densité par interférométrie Mach Zehnder. D'autres méthodes optiques comme la strioscopie ont été mises en œuvre pour contrôler la dynamique du jet de gaz et définir l’instant optimal pour effectuer le tir laser. Les spectres obtenus dans differentes conditions d’interaction sont présentés. Ils montrent, dans la direction du laser, des énergies maximales allant jusqu’à 6 MeV pour les protons et 16 MeV pour les ions hélium. Des simulations numériques effectuées avec le code PICLS sont utilisées pour discuter les différentes structures observées dans les spectres et les mécanismes d’interaction sous jacents.Des faisceaux de protons et d’X générés par le laser ALLS dans l’interaction avec des cibles solides d’aluminium, de cuivre et d’or ont été utilisés pour effectuer des analyses de matériaux par les méthodes Particle-induced X-ray emission (PIXE) et X-ray fluorescence (XRF). L’importance relative des deux techniques, XRF et PIXE, est étudiée en fonction de la nature de la cible d’interaction. Les deux diagnostics peuvent être implémentés simultanément ou individuellement, en changeant simplement la cible d'interaction. La double contribution des deux processus améliore l’identification des constituants des matériaux et permet une analyse volumétrique jusqu'à des dizaines de microns et sur de grandes surfaces (~cm2) jusqu'à un seuil de détection de quelques ppms.

In this joint thesis, performed between the French Institute CENBG (Bordeaux) and the Canadian Institute INRS (Varennes), laser driven ion acceleration and an application of the beams are studied. The first part, carried out at CENBG and on the PICO2000 laser facility of the LULI laboratory, studies both experimentally and using numerical particle-in-cell (PIC) simulations, the interaction of a high power infrared laser with a high density gas target. The second part, performed at ALLS laser facility of the EMT-INRS institute, investigates the utilization of laser generated beams for elementary analysis of various materials and artifacts. In this work, firstly the characteristics of the two lasers, the experimental configurations, and the different employed particle diagnostics (Thomson parabolas, radiochromic films, etc.) employed are introduced.In the first part, a detailed study of the supersonic high density gas jets which have been used as targets at LULI is presented, from their conceptual design using fluid dynamics simulations, up to the characterization of their density profiles using Mach-Zehnder interferometry. Other optical methods such as strioscopy have been implemented to control the dynamics of the gas jet and thus define the optimal instant to perform the laser shot. The spectra obtained in different interaction conditions are presented, showing maximum energies of up to 6 MeV for protons and 16 MeV for Helium ions in the laser direction. Numerical simulations carried out with the PIC code PICLS are presented and used to discuss the different structures seen in the spectra and the underlying acceleration mechanisms.The second part presents an experiment using laser based sources generated by the ALLS laser to perform a material analysis by the Particle-induced X-ray emission (PIXE) and X-ray fluorescence (XRF) techniques. Proton and X-ray beams produced by the interaction of the laser with Aluminum, Copper and Gold targets were used to make these analyzes. The relative importance of XRF or PIXE is studied depending on the nature of the particle production target. Several spectra obtained for different materials are presented and discussed. The dual contribution of both processes is analyzed and indicates that a combination improves the retrieval of constituents in materials and allows for volumetric analysis up to tens of microns on cm^2 large areas, up to a detection threshold of ppms.