Sources X par interaction laser - plasma - Université Bordeaux 1

Sources X par interaction laser - plasma :état de l’art et applicationsdans le cadre du projet COLAF. Dorchies06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 1

Projet COLA (CELIA - CPMOH)• Laser Eclipse :40 fs, 200 mJ, 10 Hz• Laser Aurore :30 fs, 25 mJ, 1 kHz• X-durs :10 à 100 keV• X large bande :1 à 10 keV06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 2

Sources X au CELIA• Expérimentateurs permanents :– F. Dorchies, C. Fourment, S. Hulin, J.J. Santos• Théoriciens permanents :– O. Peyrusse, H. Jouin, B. Pons• Thèses :– T. Caillaud (04), CB C. Bonté té(06) (06), S. Micheau (07), M. Harmand (09)• Support (au CELIA) :– Laser, mécanique, commande-contrôle, informatique• Collaboration au sein de l’IPF :– Equipe ENL du CENBG (depuis 2003) Cf. exposé de Franck Gobet=> Objectif du projet COLA = élargir l’utilisation de ces sources=> Objectif de cette journée = susciter des collaborations locales06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 3

Plan1. It Introduction ti générale éé sur les sources X « laser - plasma »2. Quelques caractéristiques ti des sources X « laser - plasma »3. «Lignes X » disponibles ibl et applications i envisagées :1. Spectroscopie d’absorption X « fine » (seuils, XANES, EXAFS)2. Imagerie dans les X-durs (médical, …)4. Questions, discussions, propositions, …06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 4

Principe général• Sources X « laser - plasma »– Le laser crée un plasma– Le laser apporte de l’énergie aux électrons– Les ions et les électrons conduisent à une émission X intenseXXXXimpulsionlaser(E, B)XX06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 5

Principe général• It Interaction ti laser-cible solide en régime femtoseconde– Emission X thermique– X«supra-thermiques »plasmacibleXX=> Impulsions Xextrêmement brèvesimpulsionlaserelectrons• Autres mécanismes plus spécifiques (non décrits)– Laser + jet de gaz en régime relativistei– Laser + faisceau d’électrons– …06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 6

Emission X « supra-thermique »AluminiumcontinuumNML• Similaire à un tube X à électrons– Raies caractéristiques (K α , …) + bremsstrahlungph/tir/sr/eVSpectres d'émission X(impulsion laser 5mJ, 30 fs)10 510 41000100KαLα,β,...Cible ErCible TiCible Alatomee -e -KK α105 10 15 20 25Energie photon X (keV)• Avantages– Grand nb de photons / tir dans une taille de source ~ µm– Durée ~ 100 fs, émission dans la gamme 10-100 keV06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 7

Emission X « thermique »AluminiumcontinuumNM• Nombreuses raies (≠ degrés d’ionisation)– Energie des raies augmente avec le Z de la cible– Pente liée à la température électronique T e– Emission efficace quand E x ~ qques T e (≤ multi-keV)LKK-shellIntensité (ar rb.)10 1310 11Calculs TRANSPECAl (Z = 13) : ne = nc = 1.72x10 21 cm -310 1510 910 71051000M-shellTe = 100 eVTe = 300 eVL-shellK-shell0 0,5 1 1,5 2 2,5 3Energie photon X (keV)06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 8

Exemple : cible Al & couche KAluminiumcontinuumNSpectres d'émission X(impulsion laser 5mJ, 3 ps)M10 8HeαLph/tir/sr/ /eV10 710 610 5KαLiBeBCHαAl 12+ Energie photon X (keV)10 4 1,45 1,5 1,55 1,6 1,65 1,7 1,75K06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 9

Exemple : cible Al & couche KAluminiumcontinuumNSpectres d'émission X(impulsion laser 5mJ, 3 ps)M10 8HeαLph/tir/sr/ /eV10 710 610 5KαLiBeBCHαAl 11+ Energie photon X (keV)10 4 1,45 1,5 1,55 1,6 1,65 1,7 1,75K06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 10

Exemple : cible Al & couche KAluminiumcontinuumNSpectres d'émission X(impulsion laser 5mJ, 3 ps)M10 8HeαLph/tir/sr/ /eV10 710 610 5KαLiBeBCHαAl 10+ Energie photon X (keV)10 4 1,45 1,5 1,55 1,6 1,65 1,7 1,75K06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 11

Exemple : cible Al & couche KAluminiumcontinuumNSpectres d'émission X(impulsion laser 5mJ, 3 ps)M10 8HeαLph/tir/sr/ /eV10 710 610 5KαLiBeBCHαAl 9+10 4 1,45 1,5 1,55 1,6 1,65 1,7 1,75Energie photon X (keV)K=> Spectres de raies (~ qques eV) = diagnostic riche du plasma06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 12

Exemple : cible Er & couche MErbiumcontinuumNM10 8Spectres d'émission X(impulsion laser 5mJ, 3 ps)4f -> 3dLph/tir/sr/ /eV10 710 63d -> 3p 5f -> 3d10 5 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2 2,1 2,2Energie photon X (keV)K=> Accès à des spectres large-bande (~ 100 eV)06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 13

Différents types de cibles• Adapter la cible à la haute cadence (10 Hz - 1kH kHz)– Différents régimes d’interactionsolide / feuillepoudre~ 10 µmgouttelettes~ µmagrégats~ 10 nmdébrisT e limitée parconduction thermiquepas de débrisgrande T e accessibleabsorption ~ 90 %06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 14

Plan1. It Introduction ti générale éé sur les sources X « laser - plasma »2. Quelques caractéristiques ti des sources X « laser - plasma »3. «Lignes X » disponibles ibl et applications i envisagées :1. Spectroscopie d’absorption X « fine » (seuils, XANES, EXAFS)2. Imagerie dans les X-durs (médical, …)4. Questions, discussions, propositions, …06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 15

Les diagnostics X adaptés• Spectromètres X haute résolution (cristaux de Bragg)– Couverture du domaine multi-keVp– Résolution ~ 1 eV, gamme ~ 300 eVSpectros Bragg, MatriX, Streak FX• Spectromètres short-range X large Order bande (comptage Electron ultra-fast de photon)DYnamics in Phase transition from solid to WDM– Détecteur matriciel, diodes, scintillateurs + PM– Résolution ~ 100 eV, (soumis gamme en de 2008) 1 à 25 keV, jusqu’à 500 keVF. Dorchies• Caméra à balayage de fente XCf. exposé de Franck Gobet– Résolution temporelle = 0.8 ps rms– Couplage possible avec spectromètre haute résolution06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 16

Durée du rayonnement• Rayonnement « supra-thermique » (K α )Agrégats, solide … effet géométrie, =>– Rayonnement essentiellement monochromatique– Durée X = durée laser temps d’arrêt des électronssub-ps=> ~ qques 100 fs démontré (diffraction résolue en temps)short-range Order and Electron ultra-fast• Rayonnement DYnamics in « Phase thermique transition » from solid to WDM– Couche K => raies monochromatiques(soumis en 2008)– Couche M => spectre large-bande– Emission X intense tantF.queDorchiesplasma chaud et dense– Durée X ps, voire sub-ps, dépend de :• Géométrie de la cible• Vitesse de détente du plasma06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 17

Mesures de durée (1/2)• Rayonnement « thermique » cible agrégats (Ar)Agrégats, solide … effet géométrie, =>X-ra ay intensity (a arb. unit.)21.510.5– Raies de couche K ~ 3 keV– Expansion très rapide=> Durée ~ qques 100 fssub-psR ~ c s.tn e~ 1 R ~( 13 c s.t )3short-range Order and Electron ultra-fastDYnamics in Phase 6 transition 2from solid to WDM0 00 1 2 3 4 5 6Laser duration (FWHM, ps)(soumis 5 en 2008)43X-ray dura ation (FWHM M, ps)X-ra ay intensity (a arb. unit.)1.5F. Dorchies2110.56543210 00 1 2 3 4 5 6Laser duration (FWHM, ps)X-ray dura ation (FWHM M, ps)06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 18

Mesures de durée (2/2)• Rayonnement « thermique » cible solide (~ 1.5 keV)Agrégats, solide … effet géométrie, =>– Expansion moins rapide=>Durée~ qques psCouche K Al (raies)E xsub-ps10 5 Profils temporelsshort-range Order and Electron ultra-10 fast DYnamics 4in Phase transition10 3from solid to WDM(arb. unit.)Signal streak FX (10 2(soumis en 2008)10-20 0 20 40 60Temps (ps)F. Dorchiesréponse camérad ~ c s.tn e~ 1 d ~ 1c s.tCouche M Er (large bande)E xtempstemps06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 19

En pratique• Rayonnement tincohérent• Emission isotrope dans 2π -4π sr• Exemple de nombres de photons émis (laser kHz, 5 mJ)– Agrégats Ar @ 3 keV => ~ 10 6 ph/eV/sr/tir– Solide Al @ 1.6 keV => ~ 10 7-8 ph/eV/sr/tir– Solide Er @ 1.6 keV => ~10 7-8 ph/eV/sr/tir• Rendement énergie laser => X– De qques 10 -6 à qques 10 -5 dans une raie de ~ 1 eV– Près de 10 -3 dans une large bande de 100 eV06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 20

Plan1. It Introduction ti générale éé sur les sources X « laser - plasma »2. Quelques caractéristiques ti des sources X « laser - plasma »3. «Lignes X » disponibles ibl et applications i envisagées :1. Spectroscopie d’absorption X « fine » (seuils, XANES, EXAFS)2. Imagerie dans les X-durs (médical, …)4. Questions, discussions, propositions, …06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 21

Equipées pour manips « pompe-sonde p »2mJ,30fs- 3psLigne X multi-keV large bandecompresseur“sonde”compresseur“pompe”p8 mJ, 30 fs - 3 psligneà délaiLaser Aurore1 kHzpompeIRsonde Xcible Xéchantillonphoto-excité ht06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 22

Equipées pour manips « pompe-sonde p »Ligne X-durs10mJ,30fs- 3pscompresseur“sonde”compresseur“pompe”p200 mJ, 30 fs - 3 psligneà délaiLaser Eclipse10 HzpompeIRsonde Xcible Xéchantillonphoto-excité ht06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 23

Spectroscopie p d’absorption X « fine »• Spectroscopie d’absorption X près des seuils=> accès à l’ordre atomique local d’un échantillonLigne X multi-keV large bandeSpectre X incident (cible Erbium)Alu 1 µmSpectre X transmisflanc K AlSignal Xflanc K AlSignal X1,52 1,54 1,56 1,58 1,6 1,62 1,64 1,66Energie photon X (keV)structuresspectrales1,52 1,54 1,56 1,58 1,6 1,62 1,64 1,66Energie photon X (keV)– Flanc K de l’Aluminium pour commencer=> source X large bande adaptée (1.5 - 1.7 keV)06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 24

XANES & EXAFSLigne X multi-keV large bandeXcontinuumMLKσ if( )2if ( ν)= ) ahν( ) φ fR φ i 1− f ( ε)06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 25

Double spectromètre XLigne X multi-keV large bandeCristal KAP #1 : spectre transmisDétecteur XEchantillon AlSource XCristal KAP #2 : spectre incident06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 26

Al 1 µmMesures de spectres XANESFlanc K Al = 1.559 keVLigne X multi-keV large bandeEspaceAl 2 O 3 2000 Å2 3Flanc K Al = 1.564 keVEnergie XReference06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 27

Mesures de spectres XANESLigne X multi-keV large bandeabso orption (µ µm -1 )Spectres d'absorption X(flanc K Aluminium)5 flanc K AlSans échantillonAl 1 µmAl 2000 ÅAl2O3 2000Å432101,52 1,54 1,56 1,58 1,6 1,62 1,64 1,66Energie photon X (keV)06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 28

ANR OEDYPLigne X multi-keV large bande« short-range range Order and Electron ultra-fast DYnamics in Phase transitionfrom solid to WDM » (soumis 2008)=> Etude dynamique de la transition i de phase ultra-rapide solide - WDMchauffagesolide des électronsWDM expansionionisation06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 29

Calculs XANES dans la WDMLigne X multi-keV large bandeDFT Cf. exposé d’Olivier Peyrusse1,5Absorptio on (unit. norm m.)10,5Solid Al (cold)Solid Al at 0.1 eV01,54 1,56 1,58 1,6 1,62 1,64X-ray photon energy (keV)Transition (solide => WDM) clairement mesurableOP O. Peyrusse, J. JPhys. Condens. Matter 20 (2008) 19521106/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 30

Source X-durs pour l’imagerie• Plus prospectif, mais court terme– Laser Eclipse mis en service fin Mai 2008– Salle d’expérience ~ été 2008Ligne X-durs• Projet collaboratif entre le CENBG et le CELIA– Projet « SOPHIA » (Univ. Bx I, CNRS, Région Aquitaine)=> Enceinte expérimentale équipée et opérationnelle– Projet « MCP3LI2 » (Univ. Bx I, CNRS, CEA, Aquitaine)=> Métrologie peu à peu mise en place• Application envisagée à l’imagerie médicale06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 31

Exemple 1 : MammographieLigne X-durs• Imagerie de micro-calcifications ifi (éch. mammographique)Intérêt 1 = source ~ µm => grande résolution spatialeIntérêt 2 = énergie de raie X optimisée• Source XGrandissement = 2Cible Mo + filtre Mo => 17.5 keV(optimum pour 4 cm sein comprimé)250 μmRésultats obtenus à l’INRS, Québec, Canada06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 32

Exemple 2 : Angiographieg Ligne X-durs• «Dual lEnergy Substraction ti Angiography»Angiographie d’un rat mort + iode injectéeIntérêt 1 = source ~ µm => grande résolution spatialeIntérêt 2 = flexibilité fine des énergies de raie X• Deux sources XSource 1 = cible Ba (32.2 keV)Source 2 = cible La (33.4 keV)Flanc K Iode = 33.2 keVRésultats obtenus à l’INRS, Québec, Canada06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 33

Message général• La source X est développée et optimisée en fonction dechaque application visée• L’interaction avec les utilisateurs est donc nécessaire• Elle guide le développement « intelligent t » des sources06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 34

Merci de votre attention1. Introduction générale sur les sources X « laser - plasma »2. Diagnostics X développés3. Quelques caractéristiques des sources X « laser - plasma »4. « Lignes de lumière X » disponibles et applications envisagées :1. Spectroscopie d’absorption X « fine » (seuils, XANES, EXAFS)2. Imagerie dans les X-durs (médical, …)5. Questions, discussions, propositions, …06/05/08 FD - Journée IPF "Sources X : de la production aux applications" 35