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Lignes de lumière X

publié le , mis à jour le

Deux lignes de lumière X ultra-brève sont développées dans le cadre du projet COLA :

- Source X de large bande spectrale Une source X multi-keV de large bande spectrale est opérationelle à un taux de répétition de 1 kHz. Elle utilise la chaîne laser « Aurore » du CELIA (1 kHz, 10 mJ, 25 fs, 800 nm). Elle délivre des impulsions X extrêmement brèves, de quelques ps à seulement quelques centaines de fs. Elle est dédiée à des expériences de spectroscopie d’absorption X résolues en temps.

- Source X-durs Une autre source X est en cours de développement sur le laser « Eclipse » du CELIA (10 Hz, 200 mJ, 35 fs, 800 nm). Il s’agit d’atteindre le domaine des X-durs (de 10 à 100 keV) pour des applications potentielles à la radiographie X médicale ou industrielle.

Chacun de ces dispositifs bénéficie d’une ligne laser femtoseconde synchronisée pour réaliser des expériences de type « pompe – sonde » : un bras laser dit « pompe » peut être utilisé pour déclencher un phénomène ultra-rapide, l’autre bras dit « sonde » est converti en rayonnement X ultra-bref pour sonder le phénomène au cours du temps.

Ces lignes de lumière sont proposées à des utilisateurs extérieurs au laboratoire, de la Région Aquitaine ou de France ou à des équipes européennes. Une première collaboration a été menée avec l’équipe ENL (Excitation Nucléaire par Laser) du CENBG (Gradignan, France).

Application à la physique nucléaire :

Etude de l’excitation nucléaire du Tantale irradié par laser intense

Depuis 2003, des expériences ont été menées sur des cibles solides en collaboration avec l’équipe ENL du CENBG. Leur objectif est l’étude d’excitations nucléaires obtenues à partir d’un laser de puissance. Il s’agit de reprendre proprement une expérience étonnante réalisée par une équipe russe et qui n’a pour l’instant pas été reproduite. Des rayons X autour de 6 keV avaient été mesurés plusieurs µs après l’interaction d’une impulsion laser femtoseconde avec une cible de Tantale. Ils ont été attribués à la lente désexcitation d’un état nucléaire métastable du Tantale qui aurait été pompé au cours de l’interaction. La section efficace d’une telle excitation du noyau de Tantale par un photon ou un électron issu de l’interaction laser-plasma étant classiquement très faible, une modification importante des propriétés nucléaires dans les plasmas chauds et denses avait été avancée, ouvrant la porte à de nombreuses applications potentielles.

Une étude systématique a été réalisée sur l’installation Aurore kHz du CELIA. Les flux de photons, d’ions et d’électrons émis ont été quantifiés en fonction des paramètres laser et cible (incidence, énergie, durée laser, …). Les X ont été mesurés dans la gamme supérieure à 50 keV au moyen d’un détecteur NaI. Un diagnostic basé sur une caméra CCD X a été développé pour mesurer dans la gamme d’intérêt de 4 à 50 keV. Un grand effort a aussi été réalisé pour optimiser la détection et isoler les photons X de désexcitation nucléaire du bruit engendré par l’interaction. Aucun de ces photons émis avec un temps de vie µs n’a été détecté au-dessus du bruit, alors que l’estimation « classique » situe cette émission un ou deux ordres de grandeur sous l’actuel seuil de détection. Les mesures ont permis d’extrapoler les conditions d’interaction qui permettront de détecter des photons issus de l’excitation nucléaire « classique » du Tantale par les seuls électrons et photons du plasma.

tête ligne X (cliché CELIA)

Détail de la ligne de lumière X ultra-brève de large bande. Deux bras laser sont comprimés indépendamment et le délai entre les deux impulsions est ajustée au moyen d’une ligne à retard. L’un forme le faisceau « pompe » optique. L’autre est utilisé pour produire la « sonde » X ultra-brève dans une l’enceinte de génération REGIX

Ligne X sur Equinoxe (cliché CELIA)

Ligne de lumière X-durs comprenant la chambre de compression laser, la chambre de mise en forme spatiale du faisceau laser et la chambre de génération des X. Le faisceau laser synchronisé est comprimé et son retard est contrôlé sur la table optique capotée.