Détection en temps réel de particules auprès des lasers de puissance

Online particle detectors for experiments with high power, high repetition rate lasers

• Auteur / Autrice : Friday Emmanuel Atukpor
• Direction : Mehdi Tarisien
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique, Plasmas, nucléaire
• Date : Soutenance le 18/01/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique des Deux Infinis (Bordeaux ; 2022-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Barberet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Florin Negoita
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Araceli Lopez-Martens, Vincent Méot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation, Méthodes de

Physique nucléaire

Lasers de puissance

Plasmas (gaz ionisés)

Physique nucléaire -- Instruments

Mots clés libres

Simulations

Instrumentation

Physique des plasmas

Lasers de puissance

Physique nucleaire

Instrumentation

Physics of plasmas

High power lasers

Simulations

Nuclear physics

Résumé

Les lasers de haute puissance tirant à haute cadence permettront d'étudier dans un laboratoire les propriétés des états d’un noyau plongé dans un plasma chaud et dense. Dans ces plasmas astrophysiques, les noyaux peuvent être très efficacement excités par le milieu et peuvent même présenter des modifications des durées de vie apparentes de leurs niveaux. Les états du 181mTa et du 84mRb conviennent à ces premières études car ils présentent des niveaux qui peuvent être excités par les particules du plasma. Les observables de ces excitations sont des émissions gamma de 6,2 keV avec une demi-vie de 6,05 µs dans le cas du 181Ta et des gammas d'environ 250 keV émis avec une demi-vie de 9 ns dans le cas du 84Rb. Les détecteurs de ses rayonnements gammas doivent être capables de résister aux fortes perturbations subséquentes à un tir laser de puissance dues aux intenses paquets d'électrons et de photons de Bremsstrahlung créés ainsi qu’aux grandes impulsions électromagnétiques (EMP). Le flux de rayons X et les EMP peuvent aveugler les détecteurs pendant plusieurs ms voire même les endommager. De plus, l’éventuelle radioactivité associée aux durées de vie aussi courtes favorise les empilements des signaux issus des détecteurs (pile-up). Ces derniers doivent donc être adaptés pour survivre dans cet environnement difficile tout en permettant d’effectuer une spectroscopie gamma en quelques centaines de µs.Pour détecter les rayons gammas de quelques centaines de keV issus de la désexcitation du 84mRb, nous avons étudié un détecteur semi-conducteurs à base de CdTe et un scintillateur LaBr3 couplé à un photo-détecteur hybride (HPD). Pour la détection des rayons gamma de faible énergie (6,2 keV), nous avons utilisé une photodiode à avalanche (APD) présentant une zone de déplétion épaisse. Ces détecteurs ont été étudiés expérimentalement en conditions normales d’utilisation et en environnement perturbé au voisinage du laser de haute intensité ECLIPSE du CELIA, configuré pour produire des X en grande quantité. Une analyse hors ligne spécifique a été développée pour minimiser le temps mort des détecteurs et la mise en œuvre d'algorithmes ont permis de corriger des phénomènes de pile-up. Les détecteurs à semi-conducteurs ont également fait l'objet d'une étude théorique en simulant leurs réponses via l’utilisation des codes Geant4 et Silvaco TCAD. Par ailleurs, le détecteur CMOS RadEye de la société Teledyne a été étalonné sur l’accélérateur de protons AIFIRA. Ce détecteur associé à un spectromètre dispersif devrait permettre de caractériser les particules chargées accélérées par l’interaction laser-plasma.La simulation TCAD du cristal CdTe a montré que le temps de réponse intrinsèque du détecteur est d’1 µs, ce qui peut engendrer des problèmes de pile-up pour détecter des décroissances radioactives présentant des demi-vies de quelques ns. De plus le CdTe est aveugle pendant environ 14 µs après le flash X accompagnant un tir laser, interdisant toute spectroscopie gamma pendant cette période. Quant au scintillateur LaBr3, nous avons simulé la diode PIN de l’HPD et montré que le signal de plusieurs centaines de µs engendré par le flash X est principalement dû à de afterglow du scintillateur. Par ailleurs, un traitement hors ligne approprié du signal issu du Labr3, a permis de réduire le temps mort de 60 à 15 µs, ce qui est malheureusement encore trop long pour l’étude du 84Rb.Détecter des gammas de quelques keV au moyen d’une APD semble a priori difficile car son exposition au flash X peut créer à ses bornes un signal de 90V durant 40 µs. Cependant, en associant 2 APD en mode différentiel, nous avons réduit ce signal à environ 30 mV pendant 1 µs , autorisant alors la spectroscopie gamma du 181mTa.Enfin, l'étalonnage du détecteur RadEye a révélé qu’il nécessite au minimum ~1000 protons de 3 MeV pour activer un pixel, ce qui est rédhibitoire.

High-power lasers with high repetition rates present the unique opportunity to study nuclear properties in a laboratory when the nucleus is in astrophysical hot and dense plasmas. In such plasmas the nuclei can be very efficiently excited by the surrounding medium and may even exhibit changes in the apparent lifetimes of levels. Isomeric nuclei such as 181Ta and 84Rb are suitable for these first studies because they have levels that can be excited by the plasma particles. The observables of these excitations are gamma emissions of 6.2 keV with a half-life of 6.05 µs for 181Ta and gammas of about 250 keV emitted with a half-life of 9 ns for of 84Rb. Detectors capable of recording these gamma emissions (scintillators, semiconductors, etc.) must be able to produce fast signals well adapted to the lifetime of the nuclear state of interest. Furthermore, the laser-matter interactions are promptly accompanied by bunches of ions, electrons and associated Bremsstrahlung photons, as well as large induced electromagnetic pulses (EMPs), these online detectors have to withstand the strong disturbance created during plasma formation by a power laser shot. The sudden burst of huge fluxes of x-rays can deposit more than GeV of energies and saturate the detectors, while EMPs can damage related electronics. More so, possible high radioactivity within such short lifespan of the nuclear state could warrant an offline correction of pileup events. The detectors must therefore be adapted to survive in this harsh environment while delivering gamma spectroscopy within some tens of µs.To detect gammas of a few hundred keV for the 84mRb experiment, we studied two CdTe detectors, one coupled to charge amplifier and the other to a current amplifier; and a LaBr3 coupled with Hybrid Photo Detector (HPD). For low energy gamma detection (6.2 keV) in 181mTa, we studied Avalanche Photo Diode (APD) detectors. These detectors were exposed to huge fluxes of X-rays from laser-plasma interactions at the ECLIPSE facility in CELIA. The laser-induced EMPs were minimized via a Faraday cage and the proper grounding of utilised detectors. Offline data treatment and analysis were performed as well as the implementation of pileup correction algorithms. The semiconductor-based detectors were also theoretically studied via Geant4 and Silvaco TCAD simulations. In addition, the CMOS-based detector RadEye from Teledyne Company was calibrated from a conventional proton accelerator AIFIRA, with the intent of characterizing laser-accelerated ions, which can be used to induce the nuclear reaction for our study.In the results, the CdTe coupled to a charge preamplifier was totally saturated while the other coupled to a current amplifier was not. The duration of a gamma photon current signal was at least 1 µs signalling the dangers of pileup for detections within a 9 ns half-life. Moreover, the TCAD simulations for CdTe revealed that the duration of the X-ray flash signal is about 14 µs. For LaBr3-HPD detector, the modelled PIN diode inside the HPD showed that the tens of µs-duration signal of the X-flash was mainly due to the LaBr3. Interactions from a 4.75 × 10^16 W/cm2 laser was useful to show that the X-ray signal can be as low as 2.5 µs from LaBr3 -HPD. Moreover, offline treatment of signals from a previous experiment with a high power laser, helped to reduce the dead time from 60 to 15 µs. In addition, the implementation of pileup correction algorithms presented the possibility to reduce influences of pileup from less than 60 to 4 ns between consecutive pulses. On the APDs, we succeeded to reduce the X-ray flash signal from 90 V and 40 µs for a single APD, to approximately 30 mV, 1 µs via two APDs in differential mode. This is promising to perform gamma spectroscopy in 181Ta. Finally, RadEye detector calibration revealed that a minimum of ~1000 protons with 3 MeV, incident on a pixel can be detected.