F. Gobet Groupe Excitations Nucléaires par Laser CENBG

Techniques de mesures de distributions en énergie des X - durs et gproduits dans l’interaction laser intense - matière F. Gobet Groupe Excitations Nucléaires par Laser CENBG F.Hannachi, M.M.Aléonard, M.Gerbaux, G.Malka, C.Plaisir, M.Tarisien, J.N.Scheurer Collaboration CELIA: F.Dorchies, C.Fourment, S.Hulin, J.Santos Collaboration CEA / SPN / Bruyères-le-châtel : P.Morel, V.Méot Collaboration CEA / DAM / Bruyères-le-châtel : C.Courtois

Quels intérêts pour un physicien nucléaire de caractériser les X – durs produits dans l’interaction laser - matière?

Excitation nucléaire dans un plasma: 9/2- 6.2 keV E1 T1/2= 6.8 ms - 7/2+ e Noyau 181Ta X Photoexcitation X ~ 6 keV X 1016 W.cm-2 Collision électronique inélastique E > 6,2 keV Typiquement: laser « Aurore » CELIA • Nécessité de connaître: • Le nombre d’X émis autour de 6 keV • La distribution en énergie des électrons Spectre de Brehmsstralung

Faisceaux de particules créés par laser: A plus haute intensité sur cible mince (quelques mm) X, g > qq 1018 W.cm-2 Électrons, protons, ions X-durs si cible de conversion 109 à 1012 particules en quelques 100 ps !!! Distribution continue en énergie allant à plusieurs 100 MeV!! Source potentiellement intéressante pour la gammagraphie Intérêt de ces faisceaux de particules pour le physicien nucléaire: Synchronisation de ces faisceaux avec d’autres faisceaux laser - possibilité d’étudier l’excitation ou la désexcitation nucléaire dans des cibles à l’état de plasma où soumis à un champ électromagnétique ultraintense - interaction particules – matière à l’état de plasma Études quantitatives et systématiques nécessaires pour être prédictif

Mesures de distribution en énergie des X produits dans l’interaction laser - matière: contraintes expérimentales Spécificité de ces faisceaux d’X-durs: beaucoupde photons (>1010) en peu de temps (qq 100 ps) Distribution continue en énergie allant à plusieurs dizaines de MeV…. Anisotropie pour les X très durs i.e. au delà du MeV Les lasers: basse énergie (mJ), reproductibilité, haute fréquence: étude statistique, étude photon par photon envisageable haute énergie (J – 100J), fluctuations tir à tir, basse fréquence: information en 1 seul tir Interactions X durs – matière: basse énergie: effet photoélectrique, énergie déposée en totalité dans le détecteur haute énergie: effet Compton création de paire dépôt partiel de l’énergie dans le détecteur activation nucléaire

I) Mesure de distributions d’énergie d’X-durs laser kHz « Aurore » du CELIA: Étude photon par photon Un laser kHz qq 1016 W.cm-2 sur cible Une cible de Ta tournante Une caméra CCD (MATRIX) blindée et filtrée quelques keV à 25 keV (monocoup) Un scintillateur NaI(Tl) blindé et filtré 20 keV au MeV (statistique)

I-1) Du keV à 25 keV: Matrix – CELIA (C.Fourment) électrodes Ep(e) Zone de déplétion Zone sans champ Environ 10 μm substrat X Filtrage pour éviter la percolation Reconstruction de l’information par amas Calibrage avec source de 55 Fe Efficacité de détection à 6 keV: 7,6%

I-1) Données caméra CCD: C Fourment, F Dorchies Mesure au travers d’un filtre d’Al du flux d’X de 6.2keV produit dans le plasma de tantale Spectre de photons reconstruit E/cible = 2mJ I =2,6 10 16 W/cm2 2,2 105 X de 6,2 keV / keV.sr.tir F.Gobet et al., soumis à J.Phys.B

I-2) Au delà de 20keV… et jusqu’au MeV Un détecteur “photon par photon”: Filtre de nature et d’épaisseur choisie de manière à avoir moins de 10 événements pour 100 tirs. Nombre d’événements (photons détectés) en fonction de l’énergie déposée dans le scintillateur Spectre à déconvoluer □ 0.3mJ, 3.4 1015 W.cm-2, filtre Al 500mm ● 1mJ, 1.2 1016 W.cm-2 , filtre Cu 2mm F.Gobet et al., Rev. Sci. Instr. 77, 093302 (2006)

I-2) Vers une distribution absolue en énergie des photons dans la gamme 20 keV - 1 à 2 MeV: Au dessus de 100 keV les photons ne déposent pas toute leur énergie dans le détecteur..... Simulation Monte-Carlo GEANT 3 Géométrie + interaction particules-matière F.Gobet et al., Rev. Sci. Instr. 77, 093302 (2006)

I-2)Caractéristiques des X-durs: dépendance avec l’intensité laser • Cible de Tantale • Spectre continue en énergie ; • processus de Brehmstralung • Deux composantes au dessus de 1016 Wcm-2 • Signature de mécanisme d’absorption • différent de l’impulsion laser • (R.Fedosejevs et al. , Proceedings 32nd EPS 2005) • Distribution en énergie des électrons déterminée par le code GEANT • M.M. Aléonard, J. Mod. Opt., 54, 2585 (2007) Spectres déconvolués

238U (g,n) 237U 107Ag (g,n) 106Ag 63Cu (g,n) 62Cu 181Ta (g,3n)178Ta 12C (g,n) 11C g II) Vers des lasers plus énergétiques et de plus basse cadence Photons de plus hautes énergies (au-delà du MeV) Comment obtenir le maximum d’information en un seul tir? une solution: l’activation nucléaire M.Gerbaux et al. Rev. Sci. Instr. 79, 023504 (2008)

II) Un exemple: le couple 11C; 62Cu Programme RX2 en cours sur ALISE (CEA/CESTA) γ n e- LASER 63Cu +  →62Cu + n γ CONVERTISSEUR γ n 12C +  →11C + n N 11-C / N 62-Cu Tg (MeV) Eg

II) La mesure du nombre de réactions 62Cu → 62Ni + e+ + νe T1/2 = 9,7 minutes 11C → 11B + e+ + νe T1/2 = 20,4 minutes Observable: désintégration du positronium (e+,e-): 2g de 511 keV émis dans la même direction et en sens opposé. Le nombre de coïncidences mesuré permet de remonter au nombre de réactions ( ,n) qui ont eu lieu dans l’échantillon NaI NaI

II) Vers une mesure de distribution angulaire n γ LASER Axe de symétrie e-  n γ ANR « Nathalie » / Région aquitaine M. Tarisien Jusqu’à 16 bancs de mesure…

Conclusions • - Un savoir faire dans l’interaction particules – matière • mis à profit pour l’étude de faisceaux de particules • produits par laser • Des techniques utilisées en aquitaine sur les chaînes Aurore • (CELIA), et ALISE (CESTA) • Des techniques à développer sur la chaîne Eclipse • (pour photons de quelques 100 keV)

Quality of the simulation: comparison of experimental and simulated energy distributions of a 109 Cd source

Energy distributions of the electrons as a function of the laser intensity: I=4.7 1016 Wcm-2 and 6.4 1015 Wcm-2 Comparison of the simulated and experimental photon energy distributions

F. Gobet Groupe Excitations Nucléaires par Laser CENBG