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Laser-driven ion acceleration with high-density gas-jet targets and application to elemental analysis. / Faisceaux d’ions accélérés par interaction d’un laser intense avec un jet de gaz dense et application à l’analyse élémentaire.

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Puyuelo Valdes, Pilar (2020). Laser-driven ion acceleration with high-density gas-jet targets and application to elemental analysis. / Faisceaux d’ions accélérés par interaction d’un laser intense avec un jet de gaz dense et application à l’analyse élémentaire. Thèse. Québec - Bordeaux, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique - Université de Bordeaux, 207 p.

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Résumé

Cette thèse en cotutelle entre la France et le Canada étudie l’accélération d’ions dans l’interaction laser-plasma. La première partie, réalisée au CENBG et sur l’installation PICO2000 du laboratoire LULI à l'École Polytechnique de Palaiseau, présente des études expérimentales, complétées par des simulations numériques de type Particle-In-Cell, portant sur l’accélération d’ions dans l'interaction d'un laser infrarouge de haute puissance avec une cible gazeuse de haute densité. La seconde, réalisée avec le laser ALLS de l’institut EMT INRS, concerne le développement d'une application des faisceaux génerés par laser pour l’analyse élémentaire d’échantillons. Dans le manuscrit, les caractéristiques des deux lasers, des différents diagnostics de particules et d’X utilisés (paraboles de Thomson, films radiochromiques, CCD...) ainsi que les configurations expérimentales sont décrites. Les jets de gaz denses supersoniques utilisés comme cibles d'interaction laser au LULI, sont présentés en détail; depuis leur conception grâce à des simulations de dynamique des fluides, jusqu’à la caractérisation de leurs profils de densité par interférométrie Mach Zehnder. D'autres méthodes optiques comme la strioscopie ont été mises en œuvre pour contrôler la dynamique du jet de gaz et définir l’instant optimal pour effectuer le tir laser. Les spectres obtenus dans différentes conditions d’interaction sont présentés. Ils montrent, dans la direction du laser, des énergies maximales allant jusqu’à 6 MeV pour les protons et 16 MeV pour les ions hélium. Des simulations numériques effectuées avec le code PICLS sont utilisées pour discuter les différentes structures observées dans les spectres et les mécanismes d’interaction sous jacents. Des faisceaux de protons et d’X générés par le laser ALLS dans l’interaction avec des cibles solides d’aluminium, de cuivre et d’or ont été utilisés pour effectuer des analyses de matériaux par les méthodes Particle-induced X-ray emission (PIXE) et X-ray fluorescence (XRF). L’importance relative des deux techniques, XRF et PIXE, est étudiée en fonction de la nature de la cible d’interaction. Les deux diagnostics peuvent être implémentés simultanément ou individuellement, en changeant simplement la cible d'interaction. La double contribution des deux processus améliore l’identification des constituants des matériaux et permet une analyse volumétrique jusqu'à des dizaines de microns et sur de grandes surfaces (~cm2) jusqu'à un seuil de détection de quelques ppms.

In this joint thesis, performed between the French Institute CENBG (Bordeaux) and the Canadian Institute INRS (Varennes), laser-driven ion acceleration and an application of the beams are studied. The first part, carried out at CENBG and on the PICO2000 laser facility of the LULI laboratory, studies both experimentally and using numerical particle-in-cell (PIC) simulations, the interaction of a high-power infrared laser with a high-density gas target. The second part, performed at ALLS laser facility of the EMT-INRS institute, investigates the utilization of laser-generated beams for elementary analysis of various materials and artifacts. In this work, firstly the characteristics of the two lasers, the experimental configurations, and the different employed particle diagnostics (Thomson parabolas, radiochromic films, etc.) are introduced. In the first part, a detailed study of the supersonic high-density gas jets which have been used as targets at LULI is presented, from their conceptual design using fluid dynamics simulations, up to the characterization of their density profiles using Mach-Zehnder interferometry. Other optical methods such as strioscopy have been implemented to control the dynamics of the gas jet and thus define the optimal instant to perform the laser shot. The spectra obtained in different interaction conditions are presented, showing maximum energies of up to 6 MeV for protons and 16 MeV for helium ions in the laser direction. Numerical simulations carried out with the PIC code PICLS are presented and used to discuss the different structures seen in the spectra and the underlying acceleration mechanisms. The second part presents an experiment using laser-based sources generated by the ALLS laser to perform a material analysis by the Particle-induced X-ray emission (PIXE) and X-ray fluorescence (XRF) techniques. Proton and X-ray beams produced by the interaction of the laser with aluminum, copper and gold targets were used to make these analyzes. The relative importance of XRF or PIXE is studied depending on the nature of the particle-production target. Several spectra obtained for different materials are presented and discussed. The dual contribution of both processes is analyzed and indicates that a combination improves the retrieval of constituents in materials and allows for volumetric analysis up to tens of microns on cm2 large areas, up to a detection threshold of ppms.

En esta tesis doble, realizada entre el laboratorio francés CENBG y el Instituto canadiense INRS, se ha estudiado la aceleración de iones impulsados por un láser infrarrojo de alta potencia y una aplicación de los haces generados. En la primera parte, llevada a cabo en el CENBG y en la instalación láser PICO2000 del laboratorio LULI, se ha estudiado experimentalmente la interacción de este laser con un gas de alta densidad. En la segunda parte, realizada con el láser ALLS del instituto EMT-INRS, se ha investigado la utilización de haces generados por láser para el análisis elemental de diversos materiales y artefactos. En primer lugar, se presentan las características de los dos láseres, las configuraciones experimentales y los diferentes detectores empleados (parábolas de Thomson, RCF, etc.). En la primera parte, se presenta un estudio detallado de los gas supersónicos de alta densidad que se han utilizado como blancos en el LULI, desde su diseño utilizando simulaciones de dinámica de fluidos, hasta la caracterización de sus perfiles de densidad utilizando interferometría Mach-Zehnder. Se han implementado otros métodos ópticos, como la estrioscopia, para controlar la dinámica del gas y, por lo tanto, definir el instante óptimo para realizar el disparo con láser. Se pueden encontrar los espectros obtenidos en diferentes condiciones de interacción. Muestran energías de hasta 6 MeV para protones y 16 MeV para iones de helio en la dirección del laser. Las simulaciones numéricas realizadas con el código PICLS son presentadas y utilizadas para discutir las diferentes estructuras vistas en los espectros y los mecanismos de aceleración subyacentes. En la segunda parte se presenta un experimento utilizando los haces generados por el láser ALLS para realizar el análisis de distintos materiales mediante las técnicas de emisión de rayos X inducida por partículas (PIXE) y fluorescencia de rayos X (XRF). Los haces de protones y rayos X producidos por la interacción del láser con blancos de aluminio, cobre y oro se utilizaron para realizar estos análisis. La importancia relativa de XRF o PIXE ha sido estudiada según la naturaleza del blanco. En esta parte se presenta y discute varios espectros obtenidos para diferentes muestras. También se ha analizado la doble contribución de ambos procesos. La combinación de ambos mejora la recuperación de elementos en los materiales y permite el análisis volumétrico de hasta decenas de micras en grandes áreas, hasta un umbral de detección del orden de ppms.

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Antici, Patrizio; Hannachi, Fazia
Mots-clés libres: énergie; matériaux
Centre: Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt: 20 janv. 2021 19:38
Dernière modification: 29 sept. 2021 18:25
URI: https://espace.inrs.ca/id/eprint/11170

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