Nano-source de rayon X au Mégahertz et Applications

Megahertz Nano-X-ray Source and Applications

• Auteur / Autrice : Adam Merdji-Larue
• Direction : Philippe Zeitoun
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 08/10/2024
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Optique Appliquée

Mots clés

Mots clés libres

X-ray

Nanoplasmas

Femtosecondes

Laser

Imagerie

X-ray

Nanoplasmas

Femtosecond

Laser

Imaging

Résumé

Le projet de doctorat est lié au projet NanoXCAN et consistera à développer un microscope à rayons X dur de table. Il sera composé d'un laser femtoseconde de puissance moyenne extrêmement élevée capable de concentrer son champ électrique jusqu'au régime relativiste sur une seule nanoparticule métallique. Dans ce régime, le nano-plasma émet un intense rayonnement X dur K-alpha à une puissance moyenne comparable à celle d'un synchrotron de troisième génération. Les intensités laser relativistes qui seront atteintes sont supérieures d'au moins un ordre aux intensités requises pour l'émission de rayons X durs K-alpha. L'utilisation de nanoparticules de cuivre permettra de générer une émission de raies K-alpha à 8 keV. La livraison de la cible utilisera la technologie de transfert induit par laser. Elle permet de générer des nanoparticules qui volent librement et dont la taille est contrôlée par la taille du spot du faisceau laser et l'épaisseur du film. La taille des nanoparticules est un paramètre important qui, s'il est bien choisi, peut stimuler l'émission de rayons X grâce à l'amélioration du champ électrique plasmonique. Pour optimiser le couplage avec la taille des nanoparticules, nous pouvons adapter la distribution du champ électrique à l'aide d'un dispositif SLM intelligent et d'une optique à haute ouverture numérique. Le doctorant étudiera numériquement et expérimentalement les paramètres de résonance plasmonique. Ces résonances sont optimales à des longueurs d'onde plus courtes, autour de la deuxième harmonique du laser XCAN à LULI (515nm). Une simulation FDTD (Finite-Difference Time-Domain) de l'amplification plasmonique à partir de nanosphères de cuivre sera réalisée. Nous espérons augmenter l'efficacité de conversion de l'émission de la K-alpha d'au moins un ordre de grandeur. La sélection de la taille des nanoparticules sera réalisée avec une approche de pompage à double impulsion qui permet une synchronisation à la fréquence de répétition de tout le MHz de la nanoparticule avec le pilote principal du laser. Cette stratégie devrait nous permettre d'atteindre des intensités relativistes à quelques MHz de taux répétition, soit la puissance moyenne de rayons X durs la plus élevée jamais atteinte sur une installation de table. D'autres technologies telles que le jet liquide seront envisagées. Nous rechercherons le meilleur compromis entre le nombre de photons et la taille effective de la source à utiliser dans les applications d'imagerie avancée sans lentille. Nous prévoyons un flux de photons d'environ 10^13-14 photons par seconde à 8keV. Nous avons l'intention de réaliser l'expérience dans des conditions de vide qui apporteront de la stabilité au processus. La nano-source de rayons X émet une ligne caractéristique en cuivre à une longueur d'onde de 0,15 nm. La mise en place d'une ouverture circulaire derrière la source de plasma et le filtrage des longueurs d'onde générées dans le plasma à côté de la ligne caractéristique servent de source de rayonnement presque monochromatique. Nous avons estimé qu'en raison du volume très petit et fini de la nano-cible, les débris seront négligeables si nous utilisons des nanoparticules de cuivre. La source incohérente fonctionnant à haut flux est ensuite focalisée sur l'échantillon qui diffracte les rayons X. Nous recueillons les données de la diffraction. Nous recueillons la figure de diffraction à l'aide du dernier détecteur CMOS à haute vitesse, puis nous inversons la figure à l'aide d'algorithmes inverses avancés pour créer une image en amplitude et en phase d'un échantillon à l'échelle nanométrique. L'imagerie de structures synthétiques ou vivantes à l'échelle nanométrique avec une résolution de l'ordre du nanomètre est un sujet de recherche d'une grande importance pour différentes disciplines.

The PhD project is related to the NanoXCAN project and will consist in developing a table-top hard X-ray microscope. It will be composed of an extremely high average power femtosecond laser capable of concentrating its electric field up to relativistic regime on a single metallic nanoparticle. In this regime, the nano-plasma emits intense hard X-ray K-alpha radiation at an average power comparable to that of a third-generation synchrotron. The relativistic laser intensities that will be reached is at least one order above the intensities required for hard X-ray K-alpha emission (see [Aro14]). Using Cu nanoparticles will allow the generation of K-alpha line emission at 8 keV. The target delivery will use the Laser induced backward transfer technology. It allows generating free flying nanoparticles with a size controlled by the laser beam spot size and film thickness. The size of the nanoparticles is an important parameter and, if well selected, can boost the X-ray emission through plasmonic electric field enhancement. To optimize the coupling with the nanoparticle size we can tailor the electric field distribution using a smart SLM device and high NA optics. The PhD student will investigate numerically and experimentally plasmonic resonance parameters. These resonances are optimum at shorter wavelengths, around the second harmonic of the XCAN laser at LULI (515nm). Finite-Difference Time-Domain (FDTD) simulation of the plasmonic amplification from gold and copper nanospheres will be performed. We expect to boost the conversion efficiency of the Cu K-alpha emission by at least one order of magnitude. The nanoparticle size selection will be achieved using the LIBT process with a double pulse pump-drive approach which allows a synchronization at the full MHz repetition rate of the nanoparticle with the main laser driver. We expect with this strategy to reach relativistic intensities at few MHz repetition, the highest hard X-ray average power ever achieved at source size of about 100nm in diameter. Other technologies such as liquid jet will be envisaged. We will investigate the best compromise between photon numbers and effective source size to be used in advanced lensless imaging applications. We expect a photon flux of about 10^13-14 photons per second at 8keV. We intend to perform the experiment under vacuum conditions which will bring stability to the LIBT process. The nano-source of X-rays will emit a characteristic copper line at a wavelength of 0.15 nm. Setting up a circular aperture behind the plasma source and filtering wavelengths generated in the plasma beside the characteristic line, serves as a source of nearly monochromatic radiation. We have estimated that, due to very small and finite volume of the nano-target, the debris will be negligible if we use a free flying copper nano-particle from LIBT process. The incoherent source operating at high flux is then focused on the sample that diffracts the X-rays. We collect the incoherent diffraction pattern using the latest CMOS high-speed rate detector and then invert the pattern using advanced inverse algorithms to create an image in amplitude and phase of a nanoscale sample. Imaging of nanoscale synthetic or living structures with nanometer resolution is a research topic of immense relevance for different disciplines