JCJC SIMI 4 - JCJC - SIMI 4 - Physique des milieux condensés et dilués

Source Compton Energetique Femtoseconde et Intense – FENICS

FENICS

Le projet FENICS a pour objectif de développer une nouvelle source de rayonnement X de haute énergie. Cette source basée sur l'interaction laser plasma combine compacité, durée femtosecond et brillance extrêmement élevée.

Produire et caractériser la source de diffusion Compton

La source Compton qui fait l'objet de ce projet est basée sur l'interaction laser plasma. Il s'agit de faire une collision entre un paquet d'électrons relativiste et un laser femtoseconde intense. Les électrons sont issus d'un accélérateur laser plasma. L'objectif du projet est de développer une méthode simple et originale permettant de produit d'intense faisceaux de rayonnement dans la gamme d'énergie 10 keV - 1 MeV. Une fois développée cette source pourra être utilisée soit pour des applications en radiographie à haute résolution, soit pour des expériences de type pompe sonde avec une résolution temporelle femtoseconde.

Réaliser une collision entre un laser femtosecond intense et un paquet d'électrons, lui aussi femtosecond et de seulement quelques microns de dimension est un défi expérimental. La méthode étudiée permet d'atteindre simplement cet objectif. Pour cela, nous utilisons un accélérateur laser plasma et un miroir plasma. Ce schéma est en deux étapes. Tout d'abord un laser intense crée dans son sillage une onde plasma. Des électrons piégés dans cette onde sont accélérés jusqu'à quelques centaines de MeV en seulement quelques millimètres. Le laser, qui précède les électrons est ensuite réfléchi par un miroir plasma. Nous avons alors une collision entre le laser et les électrons. Cela conduit à l'émission d'un intense faisceau de rayonnement X de haute énergie.

Nous avons mis en évidence ce rayonnement et nous l'avons caractérisé. Nous avons mis en évidence les paramètres importants pour réaliser cette source. L'épaisseur de la feuille de plastique permettant de produire le miroir plasma est importante. Plus cette feuille et fine et plus le rayonnement de freinage résiduel est faible. D'autre part, la gamme spectrale de sensibilité du détecteur permet également de favoriser la détection du rayonnement Compton. Au cours des expériences réalisées nous avons caractérisé le spectre, la divergence, la taille transverse, et la stabilité de la source. Enfin, nous avons utilisé la source pour des expérience de radiographie X.

La diffusion Compton pourra, en principe, permettre de produire des faisceaux de rayonnement quasi monochromatiques. Nous avons réalisé des simulations qui montrent que la largeur spectrale, essentiellement due à la divergence du faisceau d'électrons, sera de l'ordre de 15 pour-cent de l'énergie. Pour atteindre cet objectif expérimentalement nous avons développé une méthode simple et robuste permettant de produire des électrons mono-énergétique d'énergie accordable. Il s'agit de l'injection par choc dans des mélanges de gaz. En utilisant ces faisceaux d'électrons nous pourrons produire du rayonnement X accordable dans la gamme 100 keV-1MeV. Une perspective importante consistera aussi à démontrer la possibilité de réaliser de la tomographie à contraste de phase.

- Brevet commun CNRS/Ensta/Ecole polytechnique sur le principe de la source.
- Article dans Pour la Science (2014).
- Proceeding LPAW 2015.
- 1 article soumis a Phys. Rev. Lett. Juillet 2015

Un défi majeur de la recherche sur le rayonnement X est de réussir à produire une source de rayonnement qui combine compacité, haute brillance, durée femtoseconde, accordabilité des X-mous au rayons Gamma, et une taille de source micrométrique. Aucune sources actuelle ne combine ces propriétés. L'émergence d'une telle source satisferait au besoin d'un grand nombre d'applications et pourrait permettre à des laboratoires universitaires d'accéder à un outil puissant pour l'étude de la matière. Par exemple, le rayonnement X femtoseconde, synchronisé avec un laser, permet d'étudier les dynamiques atomiques le plus rapides. Une taille de source micrométrique permet d'atteindre des résolution extrêmes en imagerie. Une haute énergie permet de radiographier des objets opaques pour les sources X standard. Le projet FENICS a pour vocation de développer une source de rayonnement combinant toutes ces propriétés. Le projet s’appuie sur une première démonstration expérimentale réalisée au LOA pendant l’été 2011. Nous avons pu produire, de manière très simple, des faisceaux de rayonnement femtoseconde intenses, émis par une source de quelques microns, jusqu’à des énergies de plusieurs centaines de kiloelectronvolts. Cette nouvelle source est basée sur un schéma très simple de diffusion Thomson arrière dans un accélérateur laser plasma, où des électrons relativistes diffusent les photons d’un laser contre-propagatif pour produire du rayonnement X. L’objectif du projet est d’exploiter le fort potentiel de cette nouvelle source. Nous allons démontrer qu’il est possible de produire, efficacement et simplement, une source intense de rayonnement, accordable des X au gamma, en utilisant des lasers compacts. Nous démontrerons également que cette source est déjà utile pour des applications en imagerie. La source développée va produire du rayonnement dont la brillance est de cinq ordres de grandeur supérieure aux sources basées sur les accélérateurs, et dont la taille de source est 100 fois inférieure. Comparée aux sources plasma les plus récentes, telle que le Betatron, notre nouveau schéma utilise des électrons d’énergie 100 fois plus faible, le rayonnement produit peut atteindre des énergies 100 fois plus élevées, et notre source peut être accordable et monochromatique. Le développent proposé sera donc une avancée majeure et pourrait faire émerger une nouvelle génération de sources de rayonnement X. Le programme de recherche est ambitieux mais réalisable dans la durée du projet. Il repose sur des résultats préliminaires et sur l'expérience de notre équipe, composée exclusivement de jeunes chercheurs et ingénieurs, spécialistes de l’interaction laser plasma en régime relativiste. Nous demandons le soutien de l’ANR car un financement est désormais essentiel pour faire émerger cette thématique de recherche. Nous sommes sur le point de produire la source X-durs basée sur l’interaction laser la plus avancée et cela aura un impact important, en particulier dans le contexte actuel ou de nombreux projets sont financés pour produire des sources de rayonnement X femtoseconde et promouvoir leurs applications.

Coordination du projet

Kim TA PHUOC (Laboratoire d'Optique Appliquée) – kim.taphuoc@ensta.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LOA Laboratoire d'Optique Appliquée

Aide de l'ANR 205 920 euros
Début et durée du projet scientifique : août 2012 - 36 Mois

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