Diagnostics PETAphys

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1 Diagnostics PETAphys D. Batani1, G. Boutoux*1, D. Bretheau2, F. Granet2, Ch. Meyer2, D. Raffestin2, V. Tikhonchuk1 1 Université Bordeaux / CELIA ; 2 CEA/DAM/Cesta Workshop PETAPHYS/ PETAL+ De l académique à l expérimental 24/02/2015 * boutoux@celia.u-bordeaux1.fr

2 1/13 Plan Contexte de l étude Présentation des diagnostics PETAPHYS: Imagerie 2ω Diagnostic «X durs» Etude complète de photométrie et simulations du diagnostic «X durs»

3 2/13 Le contexte d étude PETAphys (phase de qualification de PETAL) Tâche focale PETAL Intéraction PETAL avec sa cible (plasma) IEM PETAL + Stratégies de protection Sources particules PETAL + Radioprotection / Activation Conduite des premières expériences PETAL

4 2/13 Le contexte d étude PETAphys (phase de qualification de PETAL) Tâche focale PETAL Intéraction PETAL avec sa cible (plasma) IEM PETAL + Stratégies de protection Sources particules PETAL + Radioprotection / Activation Conduite des premières expériences PETAL Développement d un diagnostic d imagerie de la tâche focale 2ω

5 Le contexte d étude PETAphys (phase de qualification de PETAL) Tâche focale PETAL Intéraction PETAL avec sa cible (plasma) IEM PETAL + Stratégies de protection Sources particules PETAL + Radioprotection / Activation Conduite des premières expériences PETAL Développement d un diagnostic d imagerie de la tâche focale 2ω Développement d un diagnostic simple et robuste permettant: des mesures de spectres X durs via un module «tour de Hanoï» et «Bremsstrahlung cannon» une imagerie par sténopé et de pénombre de la source X 2/13

6 Le contexte d étude PETAphys (phase de qualification de PETAL) Tâche focale PETAL Intéraction PETAL avec sa cible (plasma) IEM PETAL + Stratégies de protection Sources particules PETAL + Radioprotection / Activation Conduite des premières expériences PETAL Développement d un diagnostic d imagerie de la tâche focale 2ω Développement d un diagnostic simple et robuste permettant: des mesures de spectres X durs via un module «tour de Hanoï» et «Bremsstrahlung cannon» une imagerie par sténopé et de pénombre de la source X Objectif: avoir des diagnostics opérationnels dès le démarrage de PETAL 2/13

7 Diagnostic optique 2ω Objectif : observation de l'harmonique 2ω Spécifications : - λ = 526 nm (2ω) - champ ~ 1 mm, résolution: µm - acquisition par CCD Contraintes : - alignement, stabilité - X, IEM Options : - Imagerie 1ω - Acquisition par film Implantation: piquage 401 [90, 0 ] - angle /PETAL: 13.5 Lentille asphérique Len$lle Filtre 2ω Miroir Filtre + CCD CCD Budget: PETAPHYS (50 k ) 3/13

8 4/13 Diagnostic X durs Objectifs : spectres X + imagerie par sténopé et de pénombre Module en W «Tour de Hanoï» Distance cible-module = 1m Mât de support Hublot SiO 2 (1cm) Cassette IP

9 Diagnostic X durs Objectifs : spectres X + imagerie par sténopé et de pénombre Implantation: piquage 455 [90, 319 ] Option face arrière ou avant à définir Module en W «Tour de Hanoï» Dist an ce c iblemod ule = 1m Mât d e sup por t Hublot SiO2 (1cm) Cassette IP 4/13

10 Diagnostic X durs Objectif n 1: mesurer des spectres X durs dans la gamme [20 kev; 1 MeV] et remonter à la température des électrons relativistes générés dans la cible. Spécifications : - radiographie d une Tour de Hanoï (W, plusieurs épaisseurs) - Cannon Bremsstrahlung (empilement filtres W et films IP) - résolution sur T e- de l ordre de 20 Contraintes : - faible intensité signal, en particulier aux énergies PETAL faibles module Fenêtre Si0 2 1cm IP 1 Tour de Hanoï Source X Exemple OMEGA-EP (C. Courtois et al.) 5/13

11 5/13 Diagnostic X durs Objectif n 1: mesurer des spectres X durs dans la gamme [20 kev; 1 MeV] et remonter à la température des électrons relativistes générés dans la cible. Spécifications : - radiographie d une Tour de Hanoï (W, plusieurs épaisseurs) - Cannon Bremsstrahlung (empilement filtres W et films IP) - résolution sur T e- de l ordre de 20 Contraintes : - faible intensité signal, en particulier aux énergies PETAL faibles module Fenêtre Si0 2 1cm IP 2 Filtres (W) + IP Source X Bremsstrahlung Cannon 2 Exemple GSI (PHELIX)

12 Diagnostic X durs Objectif n 1: mesurer des spectres X durs dans la gamme [20 kev; 1 MeV] et remonter à la température des électrons relativistes générés dans la cible. Spécifications : - radiographie d une Tour de Hanoï (W, plusieurs épaisseurs) - Cannon Bremsstrahlung (empilement filtres W et films IP) - résolution sur T e- de l ordre de 20 Contraintes : - faible intensité signal, en particulier aux énergies PETAL faibles module Fenêtre Si0 2 1cm IP 1 Tour de Hanoï 2 Filtres (W) + IP Source X Bremsstrahlung Cannon 2 Exemple GSI (PHELIX) Exemple OMEGA-EP (C. Courtois et al.) 5/13

13 6/13 Diagnostic X durs Objectif n 2: imagerie par sténopés Module «Tour de Hanoï» Couronne extérieure de différentes épaisseurs: 1 mm, 0.5 mm et 0.2 mm Nombreux sténopés de différents diamètres: 100 µm, 50 µm et 20 µm

14 6/13 Diagnostic X durs Objectif n 2: imagerie par sténopés Module «Tour de Hanoï» Couronne extérieure de différentes épaisseurs: 1 mm, 0.5 mm et 0.2 mm sténopé Source X Fenêtre Nombreux sténopés de différents diamètres: 100 µm, 50 µm et 20 µm IP Exemple ECLIPSE

15 Diagnostic X durs Objectif n 2: imagerie par sténopés Module «Tour de Hanoï» Couronne extérieure de différentes épaisseurs: 1 mm, 0.5 mm et 0.2 mm sténopé Source X Fenêtre Nombreux sténopés de différents diamètres: 100 µm, 50 µm et 20 µm IP Exemple ECLIPSE Spécifications de l imagerie par sténopés: - profondeur de champ infinie - champ de vision 10 mm (cible PETAL + cible LMJ) - absence d aberrations optiques - grandissement 6, résolution: 50 µm au mieux - possibilité d isoler une bande spectrale avec des filtres de Ross Objectif: imagerie de l endroit où les électrons déposent leur énergie dans la cible pour différentes gammes spectrales. 6/13

16 7/13 Diagnostic X durs Objectif n 3: imagerie de pénombre module Fenêtre Si0 2 1cm Filtres (W) + IP X source

17 7/13 Diagnostic X durs Objectif n 3: imagerie de pénombre module Fenêtre Si0 2 1cm Filtres (W) + IP pente à taille de la source X source

18 7/13 Diagnostic X durs Objectif n 3: imagerie de pénombre module Fenêtre Si0 2 1cm Filtres (W) + IP pente à taille de la source X source Image 2D de la source X Exemple OMEGA-EP (C. Courtois et al.)

19 Diagnostic X durs Objectif n 3: imagerie de pénombre module Fenêtre Si0 2 1cm Filtres (W) + IP pente à taille de la source X source Image 2D de la source X Spécifications de l imagerie de pénombre: - profondeur de champ infinie - grandissement 6, résolution: 30 µm possible Exemple OMEGA-EP (C. Courtois et al.) Contraintes: - filtration des photons de basse énergie qui diffusent sur les bords - reconstruction de l image sensible à la présence de bruit Objectif: disposer d une imagerie mieux résolue que celle par sténopés 7/13

20 Etude de photométrie et # simulations du diagnostic X durs 8/13 Contrainte majeure: le diagnostic doit être opérationnel pour la montée en puissance de PETAL, or on attend une faible intensité du signal X sur les IP: - distance cible - IP élevée (6m30) - présence d une fenêtre épaisse (coupure des énergies basses) - faible sensibilité aux particules de haute énergie (> 1 MeV) - rapport signal / bruit? Simulations numériques de la source PETAL au signal collecté sur les IP pour des impulsions à 200 J, 500 J, 1 kj et 3,5 kj de durée 0,5 ps sur une cible de 2 mm en tungstène (W)

21 9/13 Méthodologie Génération et accélération des électrons lors de l interaction PETAL-cible Propagation des électrons dans la cible et production de rayonnements secondaires Signal dans le diagnostic

22 9/13 Méthodologie Génération et accélération des électrons lors de l interaction PETAL-cible Calculs PIC (E. d Humières) à Distributions énergétiques et angulaires des électrons (calcul de la source ) Propagation des électrons dans la cible et production de rayonnements secondaires Simulations Monte-Carlo GEANT4 à Distributions énergétiques et angulaires des e-, e+, p, n, X, γ qui sortent de la cible Signal dans le diagnostic Simulations GEANT4 du diagnostic complet (géométrie et réponse des détecteurs) à Intensité de signal, rapport signal/bruit,

23 Méthodologie Génération et accélération des électrons lors de l interaction PETAL-cible Calculs PIC (E. d Humières) à Distributions énergétiques et angulaires des électrons (calcul de la source ) Propagation des électrons dans la cible et production de rayonnements secondaires Simulations Monte-Carlo GEANT4 à Distributions énergétiques et angulaires des e-, e+, p, n, X, γ qui sortent de la cible Signal dans le diagnostic Simulations GEANT4 du diagnostic complet (géométrie et réponse des détecteurs) à Intensité de signal, rapport signal/bruit, Important pour le dimensionnement et le dévelopment de diagnostics et pour les futurs expériences PETAL 9/13

24 (1) L intéraction laser-cible et la source d e - PICLS (E. d Humières, CELIA) à Inputs pour les simulations GEANT4 10/13

25 (2) Les photons et e - émis par la cible Simulations GEANT4 de la propagation des e - dans une cible de W (2 mm) Utilisation des librairies de basse énergie PENELOPE pour prendre en compte les processus de désexcitation atomique (fluorescence, Auger) 11/13

26 (2) Les photons et e - émis par la cible Simulations GEANT4 de la propagation des e - dans une cible de W (2 mm) Utilisation des librairies de basse énergie PENELOPE pour prendre en compte les processus de désexcitation atomique (fluorescence, Auger) à l arrière de la cible (transmission) Spectres e - /photons émis optimisation du nombre de photons de haute énergie (>400 kev) et réduction du nombre d électrons (<10 MeV) 11/13

27 (2) Les photons et e - émis par la cible Simulations GEANT4 de la propagation des e - dans une cible de W (2 mm) Utilisation des librairies de basse énergie PENELOPE pour prendre en compte les processus de désexcitation atomique (fluorescence, Auger) à l arrière de la cible (transmission) Spectres e - /photons émis à l avant de la cible (rétrodiffusion) optimisation du nombre de photons de haute énergie (>400 kev) et réduction du nombre d électrons (<10 MeV) flux de photons de basse énergie et d électrons intenses. Informations spectrales et angulaires des particules émises par la cible à flux de particules qui va irradier notre diagnostic 11/13

28 (3)Simulation du diagnostic Source X Tour de Hanoï: Y (mm) mpsl X (mm) 12/13

29 (3)Simulation du diagnostic Source X Tour de Hanoï: Y (mm) mpsl Canon Bremsstrahlung: Y SiO 2 1cm W filtres Y IPde typems Y X (mm) IP1 X IP4 X IP8 X 12/13

30 (3)Simulation du diagnostic Source X Tour de Hanoï: Y (mm) mpsl Canon Bremsstrahlung: Y SiO 2 1cm W filtres Y IPde typems Y X (mm) IP1 X IP4 X IP8 Imagerie par sténopès: X 12/13

31 (3)Simulation du diagnostic Source X Tour de Hanoï: Y (mm) mpsl Canon Bremsstrahlung: Y SiO 2 1cm W filtres Y IPde typems Y X (mm) IP1 X IP4 X IP8 Imagerie par sténopès: X à Nécessité d utiliser des IP de type MS (meilleure sensibilité) à Effet de la présence de la fenêtre de SiO 2 à Estimation du rapport signal / bruit venant des électrons Hypothèses: Pixel=50x50 µm 2, limite de détection: 4 mpsl Le diagnostic PETAPHYS serait opérationnel en face avant dès 50J. (plus difficile en face arrière, à partir de 500 J seulement) 12/13

32 13/13 Résumé Présentation des diagnostics PETAPHYS: Imagerie 2ω Diagnostic «X durs» ROBUSTE, SIMPLE, OPERATIONNEL AU DEMARRAGE DE PETAL, COMPLEMENTAIRE AUX DIAGNOSTICS PETAL+ Développement d outils de simulations: Simulations PIC Simulations GEANT4 UTILE POUR DIMENSIONNER UN DIAGNOSTIC ET POUR LA SUITE ( analyse des diagnostics, caractérisation de PETAL en tant que source de particules secondaires pour LMJ )