Focalisation d’un faisceau intense d’électrons relativistes pour la radiographie éclair

Focusing an intense and relativistic electron beam for flash radiography

• Auteur / Autrice : Adrien Dudes
• Direction : Fabien Dorchies, Claude Fourment
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique, Plasmas, nucléaire
• Date : Soutenance le 24/11/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Lasers Intenses et Applications (Bordeaux ; 1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Franck Gobet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Reess
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Brigitte Cros, Rémi Maisonny

Mots clés

Mots clés contrôlés

Faisceaux électroniques

Radiographie

Plasmas (gaz ionisés)

Focalisation isoélectrique

Mots clés libres

Faisceau d'électrons

Focalisation

Plasma

Radiographie éclair

Electron beam

Focusing

Plasma

Flash radiography

Résumé

La radiographie éclair est une technique d’imagerie utilisée dans le cadre du programme Simulation du CEA/DAM. Elle permet de sonder des échantillons très denses en évolution hydrodynamique rapide. Les faisceaux de rayons X nécessaires pour sonder de tels matériaux doivent avoir les caractéristiques suivantes : des photons dont l’énergie est de l’ordre de quelques MeV , une dose délivrée de plusieurs centaines de rad et une durée inférieure à la centaine de nanosecondes. Pour obtenir ce rayonnement X, le CEA/DAM dispose de l’installation expérimentale EPURE dont les premier et troisième axes sont d’ores et déjà en fonctionnement. Le principe repose sur l’interaction d’un faisceau d’électrons relativistes avec une cible de conversion de numéro atomique élevé (ex : tantale) pour produire un rayonnement X de freinage (Bremsstrahlung). Ce faisceau, dont l’énergie est d’environ 20 MeV avec un courant de l’ordre de 2kA durant plusieurs dizaines de nanosecondes, est focalisé sur la cible afin d’obtenir une tâche focale millimétrique. Diminuer la taille de cette tâche permettrait d’améliorer la résolution des radiographies. L’objectif de la thèse est d’étudier des possibilités pour affiner la focalisation d’un faisceau d’électrons relativistes d’une machine de radiographie éclair. Deux aspects de la focalisation sont étudiés. Le premier concerne la problématique d’émission d’ions de la cible lors de l’irradiation par le faisceau. Ces ions sont en expansion sur le trajet du faisceau d’électrons et peuvent ainsi perturber sa tâche focale. Le deuxième aspect explore la possibilité d’employer un plasma pour focaliser un tel faisceau. En effet, un solénoïde qui est très couramment employé pour la focalisation est théoriquement soumis à des effets chromatiques plus important qu’un plasma de densité électronique inférieur au faisceau. De plus, l’étude de l’interaction faisceau/plasma va permettre d’apporter des données expérimentales dans un régime d’interaction où il y en a très peu.

Flash radiography is an imaging technique used at CEA/DAM aiming at studying dense objects in fast hydrodynamic evolution. The X-rays beams required to probe such materials must have the following characteristics : photons with energies of the order of magnitude of a few M eV , a delivered dose of several hundred of rad and a pulse duration less than a hundred of nanoseconds. As part of the Simulationprogram, CEA/DAM has the EPURE installation which is dedicated to produce this radiation. The principle is based on the interaction between an intense beam of relativistics electrons with a high atomic number converter target such as tantalum. The X-rays are generated by Bremsstrahlung. The incoming beam must have a high current (≈ 2kA), relativistics electron (≈ 20M eV ), and last approximately < 100ns to produce the X-rays required by the technique. The dimensions of the electron spot on theconverter target are the same order of magnitude as those of the X-ray source. Reducing the size of the X-ray source improves the resolution of X-ray images. The goal of this Ph.D thesis is to investigate ways of improving the focusing of electron beams for flash radiography. Two aspects are examined. The first concerns the emission of ions from the converter target during its irradiation by the electron beam. These ions, expanding in the beam volume, can disturb the focal spot. The second aspect concern the possibility to focus an electron beam thanks to plasma. This latter has theoretically a fewer chromatic aberration than a solenoid, which is commonly used to focus an electron beam in our context. Moreover, the study of the interaction between the electron beam with plasma will bring experimental data in a context wherethere is a lack of it.