Ecole Doctorale

Physique et Sciences de la Matière

Spécialité

PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : ENERGIE, RAYONNEMENT ET PLASMA

Etablissement

Aix-Marseille Université

Mots Clés

Interaction laser-matière,Source X Kα,Contraste temporel,Intensité laser relativiste,Laser femtoseconde,Imagerie par contraste de phase,

Keywords

Laser-matter interaction,Kα X-ray source,Temporal contrast,Relativistic laser intensity,Femtosecond laser,Phase contrast imaging,

Titre de thèse

Optimisation et applications d’une source de rayons X durs ultra-rapide de forte brillance par plasma laser.
Optimization and applications of an ultra fast and high-brightness laser plasma X-ray source.

Date

Mercredi 24 Mars 2021 à 10:00

Adresse

163 Avenue de Luminy, 13009 Marseille Amphithéatre Luminy ou Visioconférence

Jury

Rapporteur Mme Sophie BATON CNRS/LULI
Rapporteur M. Pascal MONOT CEA/LIDYL
Examinateur M. Olivier PEYRUSSE AMU/PIIM
Examinateur M. Jean-Claude KIEFFER INRS
Examinateur M. Kim TA PHUOC CNRS/LOA
Examinateur M. Laurent VIDEAU CEA/LIDYL
Directeur de these M. Marc SENTIS CNRS/LP3
CoDirecteur de these Mme Amélie FERRE AMU/LP3

Résumé de la thèse

Un regain d’intérêt s’est porté sur les sources à rayons X Kα produites par plasma laser grâce au récent développement de sources laser de plus en plus puissantes combinant un haut taux de répétition et un contraste temporel élevé. L’objectif de cette thèse expérimentale est de développer une source plasma laser de type Kα à fort taux de répétition et d’étudier les différents mécanismes conduisant à un tel rayonnement afin d’en augmenter la brillance pour utiliser cette source dans des applications telle que l’imagerie X par contraste de phase. La première étude porte sur l’évolution de l’émission X Kα en fonction de l’intensité laser sur cible et du contraste temporel. L’exploration d’une large gamme d’intensité laser (~6,0.1016 à 2,7.1019 W/cm²) et de contraste temporel (6,7.107 à 3,3.1010) permet de discuter en détails des différents mécanismes d’absorption de l’énergie laser conduisant à la génération des électrons chauds, responsables de la génération du rayonnement X. Grâce à la détermination du gradient de densité électronique à l’aide d’un code de simulation hydrodynamique et de l’estimation de la pression radiative, nous étudions et expliquons l’influence du contraste temporel sur le rendement de production Kα. A forte intensité laser, la pression radiative du laser joue un rôle prépondérant en enfonçant le gradient électronique, expliquant ainsi l’indépendance du nombre de photons X Kα produits observés expérimentalement dans le régime d’intensité laser relativiste. La deuxième étude complémentaire porte sur l’étude de la taille de la source X et de son évolution en fonction des mêmes paramètres laser. Les travaux expérimentaux montrent un élargissement de la taille de la source X lorsque l’intensité laser augmente et que le contraste temporel se dégrade. Une loi en puissance dépendante de l’intensité laser permet de décrire cette évolution. Pour expliquer cette observation des campagnes expérimentales complémentaires sont menées. L’une met en œuvre des cibles de molybdène d’épaisseur comprise entre 6 mm et 4 µm. L’autre s’intéresse à quantifier l’élargissement de la taille de la source X avec la taille du faisceau laser sur la cible. Un 1er résultat expérimental très intéressant est mis en évidence : l’indépendance de l’évolution de la taille de la source et du nombre de photons X Kα produits par rapport à l’épaisseur de la cible quelques soient les valeurs de l’intensité laser et du contraste temporel. Le second résultat montre que le facteur d’élargissement entre la taille de la source X et la taille de la tache focale laser est d’autant plus important que cette dernière est petite et que l’énergie laser est importante. Plusieurs hypothèses permettant d’expliquer ces comportements sont discutées. La piste privilégiée retenue est celle de phénomènes reliés aux champs électromagnétiques combinés au champ pondéromoteur du laser. En optimisant cette source, nous montrons que nous pouvons atteindre des brillances pics comparables à celles provenant des synchrotrons de 3e génération. Nous utilisons ensuite cette source pour faire une étude paramétrique d’imagerie X par contraste de phase en utilisant la méthode par propagation libre avec des échantillons tests et un objet biologique. En quantifiant les images expérimentales, nous présentons des images dites par contraste de phase sur une large gamme d’intensité laser sur la cible (jusqu’à 1,3.1019 W/cm²), et ce grâce à une augmentation limitée de la taille de la source X. En s’appuyant notamment sur un algorithme de reconstruction de la phase, nous mettons en évidence un compromis entre le temps d’acquisition et l’information de la phase contenue dans l’image et nous présentons les premières images de phase obtenues pour une source X Kα.

Thesis resume

A regain of interest has focused on X-ray Kα sources produced by laser plasma thanks to the recent development of increasingly powerful laser sources combining a high repetition rate and high temporal contrast. The goal of this experimental thesis is to develop a Kα- laser plasma source with a high repetition rate and to study the different mechanisms leading to such radiation in order to increase its brightness to use this source to make applications such as X-ray phase contrast imaging. The first study concerns the evolution of the X-ray Kα emission as a function of laser intensity on target and temporal contrast. The exploration of a wide range of laser intensity (~6.0×1017 to 2.7×1019 W/cm²) and temporal contrast (6.7×107 to 3.3×1010) allows to discuss in detail the different laser energy absorption mechanisms leading to the generation of hot electrons, responsible for X-rays generation. Thanks to the determination of the electron density gradient laser using a hydrodynamic simulation code and the estimation of the radiative pressure, we study and explain the influence of the temporal contrast on the Kα efficiency production. At high laser intensity, the laser radiative pressure plays a preponderant role by pushing the electronic gradient, thus explaining the independence of Kα X-ray flux produced observed experimentally in the relativistic laser intensity regime. The second complementary study concerns the study of the X-ray source size and its evolution according to the same laser parameters. Experimental work shows an enlargement of the size of the X-ray source when the laser intensity increases and when the temporal contrast deteriorates. This evolution is described by a power law dependent on the laser intensity. To explain this observation, additional experimental campaigns are carried out. One uses molybdenum targets ranging in thickness from 6 mm to 4 µm. The other is interested in quantifying the enlargement of X-ray source size with the laser beam size on the target. A first original experimental result is highlighted: the independence of the evolution of the X-ray source size and of the Kα X-ray flux produced compared to the target thickness, whatever the laser intensity and temporal contrast values. The second result shows that the enlargement factor between the X-ray source size and the focal laser spot size is greater when the smaller the latter and the higher the laser energy. Several hypotheses which can explain these behaviors are investigated and discussed. Among them phenomena related to electromagnetic fields combined with the laser ponderomotive field are identified as the most probable mechanisms. By optimizing this source, we show that we can achieve a peak brightness comparable to those from 3rd generation of synchrotrons. We then use this source to make a parametric X-ray phase contrast imaging study using the free propagation method with test samples and a biological object. By quantifying experimental images, we present the so-called phase contrast images over a wide range of laser intensity on target (up to 1.3×1019 W/cm²), thanks to a limited increase in the size of the source X. By relying on a phase reconstruction algorithm, we demonstrate a compromise between the acquisition time and phase information contained in the image and we present the first phase images obtained for a Kα X-ray source.