17 Décembre – Soutenance de thèse - Thomas Lahens

14 h Amphi C - Bâtiment A29 (campus de Talence)

Propagation d’un faisceau d’électrons relativistes intense de radiographie éclair dans un plasma froid.

Le CEA-DAM utilise la radiographie éclair pour sonder des matériaux en mouvement très rapide (quelques kilomètres par seconde), dont la densité est extrêmement élevée. Pour obtenir une image de radiographie dans ces conditions, le rayonnement X doit être énergétique (autour d’une dizaine de MeV), bref (60ns) et capable de délivrer une dose de plusieurs centaines de rad. Une des voies pour générer un tel rayonnement est de focaliser un faisceau d’électrons relativistes et de fort courant (typiquement 20MeV, quelques kA pendant 60ns) sur une cible dite de conversion. Lors de l’interaction faisceau/cible, une partie de l’énergie du faisceau est transmise à la cible sous forme de chaleur. Ce dépôt d’énergie soudain engendre des températures de l’ordre de l’eV et des pressions de l’ordre du Mbar. Dans ces conditions la matière est vaporisée et un plasma se forme, en détente hydrodynamique autour de la cible de conversion. Dans le cadre d’études prospectives sur une machine de radiographie éclair multi-temps, nous souhaitons étudier l’influence d’un tel plasma sur la qualité des impulsions de rayons X successives (notamment la dose et la taille de la source). Notre objectif est donc de mettre au point une expérience de propagation d’un faisceau de radiographie éclair dans un plasma.
Dans un premier temps, conjointement à une étude bibliographique, nous avons effectué des calculs à partir de l’équation d’enveloppe d’un faisceau modifiée pour modéliser l’influence d’un plasma. Le paramètre clé influençant la propagation d’un faisceau d’électrons dans un plasma est le rapport entre leur densité électronique respective. Ainsi, d’après cette étude préliminaire, nous avons déduit qu’il était intéressant d’explorer la propagation des faisceaux de radiographie éclair dans des plasmas dont la densité électronique était comprise entre 10^10 cm^(-3) et 10^12 cm^(-3).
Pour cette application, nous nous sommes intéressés aux décharges luminescentes : nous avons mis au point un banc de test afin de les caractériser au moyen de différents diagnostics. Après des mesures par sonde de Langmuir, interférométrie radiofréquence et un nouveau diagnostic basé sur un couplage capacitif avec le plasma, nous en avons déduit que la densité électronique maximale des décharges luminescentes était de l’ordre de 10^10 cm^(-3). Bien que cela ne couvre pas l’ensemble du domaine d’intérêt, nous avons conçu un dispositif (« cellule plasma ») capable de générer une décharge luminescente et adaptable sur l’axe d’un faisceau afin de propager ce dernier à l’intérieur. En parallèle, afin de balayer l’ensemble de la plage de densité électronique nous intéressant, nous avons mis au point un système de chauffage inductif de nos décharges afin d’augmenter leur densité. Bien que des mesures par interférométrie montrent que le chauffage nous permet d’atteindre des densités électroniques de l’ordre de 10^13 cm^(-3), un travail de fiabilisation est nécessaire afin de mieux maîtriser le procédé avant de le porter sur faisceau.
Nous avons pu tester la première version de la cellule plasma sur le moyen expérimental FEVAIR du CEA-CESTA (4MeV,2kA,60ns). Au cours de cette campagne expérimentale, nous avons validé la plupart des caractéristiques de la cellule plasma, notamment les plus critiques comme l’interface plasma/vide. Nous avons propagé le faisceau FEVAIR à travers la cellule et mesuré le courant net du faisceau à plusieurs positions axiales, ainsi que la taille du faisceau à sa sortie. Nous avons observé d’une part que la pression de gaz dans la cellule plasma avait un effet à partir de quelques 10^(-2) mbar, pression minimale à laquelle nous sommes capable de générer une décharge luminescente, et d’autre part cet effet est dominant sur celui de la décharge luminescente. De plus, nous avons vu que les électrons périphériques du faisceau entraient en contact avec la cellule plasma, ce qui cause la charge de certain de ses éléments et influencent ainsi la propagation du faisceau.
Ces observations ont inspiré des améliorations de la cellule plasma, dont l’évolution sera plus courte et comportera un système de chauffage du plasma issu du travail effectué pendant cette thèse. Elles ont également souligné l’importance de faire une description détaillée à la fois du faisceau et de son interaction avec le gaz présent dans la cellule, dans le régime que nous avons étudié.

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