Charged particle diagnostics for PETAL, calibration of the detectors and development of the demonstrator

(1)

HAL Id: tel-01450052

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Submitted on 31 Jan 2017

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Charged particle diagnostics for PETAL, calibration of

the detectors and development of the demonstrator

Nesrine Rabhi

To cite this version:

Nesrine Rabhi. Charged particle diagnostics for PETAL, calibration of the detectors and develop-ment of the demonstrator. Other [cond-mat.other]. Université de Bordeaux, 2016. English. �NNT : 2016BORD0339�. �tel-01450052�

(2)

THÈSE PRÉSENTÉE

POUR OBTENIR LE GRADE DE

DOCTEUR DE

L’UNIVERSITÉ DE BORDEAUX

ÉCOLE DOCTORALE DES SCIENCES PHYSIQUES ET DE L'INGÉNIEUR

Astrophysique, plasmas et nucléaire

Par Nesrine RABHI

Charged particle diagnostics for PETAL, calibration of the

detectors and development of the demonstrator

Sous la direction de : Jean-Eric DUCRET

Soutenue le 6 Décembre 2016 à Talence

Membres du jury :

M. MEVEL Eric, Professeur, Université de Bordeaux Président M. CECCOTTI Tiberio, Chargé de Recherche, CEA-Saclay Rapporteur M. MARGARONE Daniele, Directeur de recherche,

Institut de Physique CAS, Prague Rapporteur M. DUCRET Jean-Eric, Professeur, Université de Bordeaux Directeur de thèse M. TATARAKIS Michael, Professeur,

(3)

Diagnostics de particules chargées pour PETAL, étalonnage des

détecteurs and développement d’un démonstrateur

Résumé :

Afin de protéger leurs systèmes de détection de l'impulsion électromagnétique géante générée par l'interaction du laser PETAL avec sa cible, les diagnostics de PETAL seront équipés de détecteurs passifs. Pour les ensembles SEPAGE et SESAME, une combinaison d'Imaging Plates (IP) et de couches de protection de matériaux de grand numéro atomique sera utilisée, qui permettra: 1) d'assurer que la réponse des détecteurs sera indépendante de son environnement mécanique proche dans les diagnostics et donc homogène sur toute la détection, 2) de blinder les détecteurs contre les photons de haute énergie produits dans la cible de PETAL. Dans le travail présenté ici, nous avons réalisé des expériences d'étalonnage avec les IPs auprès d'installations générant des électrons, des protons ou des ions, dans le but de couvrir le domaine en énergie cinétique de la détection des particules chargées de PETAL, de 0.1 à 200 MeV. L'introduction a pour but de décrire les méthodes et outils utilisés au cours de cette étude. Le second chapitre présente les résultats de deux expériences réalisées avec des électrons dans le domaine d'énergie cinétique [5-180] MeV. Le troisième chapitre décrit une expérience et ses résultats avec les protons entre 80 et 200 MeV étaient envoyés sur nos détecteurs. Le quatrième chapitre est consacré à une expérience utilisant des protons et des ions entre1 et 22 MeV en énergie de protons et dont l'objectif était l'étude de détecteurs et le test du démonstrateur de SEPAGE. Nous avons utilisé GEANT4 pour l'analyse de nos données et prédire la réponse de nos détecteurs dans le domaine 0.1 à 1000 MeV.

Mots clés

:

Imaging Plates, Les diagnostics PETAL+, physiques des plasmas, l'interaction laser matière, simulation GEANT4, accélération de particules par laser, détection de particules

Charged particle diagnostics for PETAL, calibration of the detectors

and development of the demonstrator

Abstract :

In order to protect their detection against the giant electromagnetic pulse generated by the interaction of the PETAL laser with its target, PETAL diagnostics will be equipped with passive detectors. For SESAME and SEPAGE systems, a combination of imaging plate (IP) detectors with high-Z material protection layers will be used to provide additional features such as: 1) Ensuring a response of the detector to be independent of its environment and hence homogeneous over the surface of the diagnostics; 2) Shielding the detectors against high-energy photons from the PETAL target. In this work, calibration experiments of such detectors based on IPs were performed at electron and proton facilities with the goal of covering the energy range of the particle detection at PETAL from 0.1 to 200 MeV. The introduction aims at providing the reader the methods and tools used for this study. The second chapter presents the results of two experiments performed with electrons in the range from 5 to 180 MeV. The third chapter describes an experiment and its results, where protons in the energy range between 80 and 200 MeV were sent onto detectors. The fourth chapter is dedicated to an experiment with protons and ions in the energy range from 1 to 22 MeV proton energy, which aimed at studying our detector responses and testing the demonstrator of the SEPAGE diagnostic. We used the GEANT4 toolkit to analyse our data and compute the detection responses on the whole energy range from 0.1 to 1000 MeV.

Keywords

:

Imaging Plates, PETAL+ diagnostics, particle diagnostics, plasma physics, laser-matter interaction, GEANT4 Monte Carlo simulations, laser acceleration of particles, detection

CELIA centre lasers intenses et applications

Laboratoire CELIA UMR5107

CNRS, CEA, Université de Bordeaux

43 Rue Pierre Noailles Bât C6

33400 TALENCE

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(5)

(6)

−

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

− −

(15)

104

(16)

− − − − − −

(17)

(18)

∆

◦

(19)

− _∆E −

∆y

(20)

Chapter

1

µm

(21)

(22)

−

2 ₁₀20 ₁₀15

10−7

(23)

(24)

−

∼ _K_α

(25)

Kα

(26)

12_Cq+ 12_C6+ Aq+ _m A Ep E(Aq+) = q2mp mA Ep mp 12_C6+ 12_C6+ 12_C5+ µm

(27)

µm

10−8

◦

(28)

(29)

0◦ ₄₅◦

(30)

Rth Rth Rth = meγeβe eB = mpγpβp eB β = v/c γ γe ∼11 β ∼1 mpγpβp = γeme me/mp∼1/1800 γpβp<< 1 γp ∼1 βp << 1 βp= γe me mp ≃_6.10−3 Ep = 1 2mpβ 2 p = 1 2 γ_e2m2 e mp ≃ _{17 keV}

(31)

(32)

(33)

. . .

(34)

C2H2 C2H2

g.cm3

µm

BaFBr : Eu BaFBr0.85I0.15: Eu BaFBr0.85I0.15: Eu

g.cm3 µm C2H2O g.cm3 µm ZnMn2Fe5NO40H15C10 g.cm3 µm

(35)

(36)

(37)

Eu2+ _Eu3+

F(Br) F(I) F(Br−₎ _F(I−₎

Eu3+

(38)

F(Br−₎ _F(I−₎

λ(nm) = 1240

E(eV) Eu3+

(39)

− −

F(Br−₎ _F(I−₎

F(Br−_)/F(I−₎

(40)

QL QL PSL =! Res 100 "2 ∗ 4000 S ∗10 L∗! QL 2D−1− 1 2 " µm QL 2D−1 µm QL = 0 PSL = 10−3 10−2 . . .

(41)

−

(42)

(43)

µm

(44)

. . .

(45)

(46)

(47)

F(Br−₎ _F(I−₎

π

Eu3+ _{+ e}− ₋_{> Eu}2+

(48)

α α α 104 3.5 R(E) = α # ǫ 0 dE dz.exp(− z L) dz ǫ

(49)

2+

− ∆E

(50)

µm µm µm µm µm µm 104

(51)

F(Br−₎

F(I−₎

F(Br−₎ _F(I−₎

55_Fe

(52)

55_{Fe ∼}

(53)

f(t) = A1.e(−t/B1)+ A2.e(−t/B2) dN/dt Eu3+ Eu3+ Ai Bi Ai Bi Ai $ iAi Ai Bi

(54)

A1 B1 A2 B2 ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± Ai Bi µm µm 244 _α

(55)

◦_C

− _χ2

χ2 _∼

− _χ2_{/N ∼} −

(56)

A1 A2 A3 B1 B2 B3 ± ± ± ± ± ± .105 ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± .106 ± .107 ± ± ± ± 10−5 ± .104 ± .105 ± Ai Bi

(57)

(58)

(59)

(60)

(61)

(62)

2 µs µm Ti4V σ Ti4V Ti4V Ti4V

(63)

(64)

Ti4V

1012 −2

Ti4V

(65)

(66)

± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± − α α α

(67)

α (10−4₎

± ± ±

(68)

α (10−4₎ ± ± ± ± ± ± α α α α σ α µm µm

(69)

(70)

R = ∆EM S.αM S ∆ESR.αSR

(71)

± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ◦ ◦ 45◦ 1/cos(θ) 1/cos(θ) ◦ ◦ 1/cos(θ)

(72)

(73)

Q(I) = Edep(MS(I)) Edep(MS(0))

Q(I) = R(MS(I))

(74)

(75)

(76)

(77)

−

(78)

(79)

−

(80)

−

(81)

(82)

Lmag lmag hmag B = 1.1 DJM ML θLanex = 48◦ Lanex Oxy = (0, 0)

(83)

(x0, y0) = (Lmag, R − % R2₋_L2 mag) R B R = βγmec eB β= v/c γ = 1/&1 − β2 _m e e (xc, yc) = ( x2 0+ y20 2x0 , 0) (xX, yX) = !

Lmag + DML−yxtan(θLanex),

y0(Lmag+ DML−xc)

x0−xc+ y0tan(θLanex)

" .

(84)

sX = yX/cos(θLanex)

OsX

sX = f(E)

µm µm

(85)

(86)

∆E ∼ dS dE ∼ 0.3 cm/MeV δS µm − Gd2O2S : Tb ρ(Lanex) g/cm3 hS g/cm2 Ncr

(87)

Ncr Nel = 1 Eph ǫdE dxδx Eph ǫ ǫ_{dE/dx = 1.8 ± 0.2} δ hS/ρLanex cos(θ⊥) Gd2O2S θ⊥ = θLanex−θe θe = atan(yX/(xX −xC))

(88)

dNcoll dNcr = ζg(θCCD)qlqwqfδΩ ζ = 22% g(θCCD) = cos(θCCD)/π θCCD ql= 0.95 qw = 0.95 qf = 0.36 δΩ −₂₀◦ dNcts dNcoll = QE r dNel dE (E0) = Cts(E0) δspix dsx dE dNcr dNel dNcoll dNcr dNcts dNcoll E0 E0 dsx/dE δspix = 0.257

(89)

(90)

PSL/e− (θperp −8◦ 37◦ cos(θperp PSL/e− α −

(91)

10−2 _{P SL/e}− ₁₀−3 _{P SL/e}− ₁₀−3 _{P SL/e}− ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± dEp/dz

(92)

(93)

(94)

α (10−4) α_{M S} ± ± α_SR ± ± α_{T R} ± ± α 10−2 _{P SL} ₁₀−2 ± ± 4% ± ± 4% ± ± 2.6% Q(I) Q(I) = R(IP(I))/R(IP(0)) I Q(I)

(95)

±

−

I =

1, , 5

(96)

(97)

(98)

(99)

(100)

(101)

(102)

(103)

(104)

(105)

(106)

α (10−4₎

αM S 4.9 ± ±

αSR 1.82 ± ±

(107)

(108)

± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ±

(109)

(110)

(111)

Q(I) = R(MS(I)) R(MS(0))

(112)

Q(I) = Edep(MS(I)) Edep(MS(0))

(113)

(114)

(115)

(116)

◦ ◦ 30◦ µm µm µm 0◦ ±

(117)

∆

◦

−

(118)

12_C6+ − − − ∆E ∆E

(119)

∆E

(120)

N N0 = nLdσ dΩ∆Ω N N0 n −3 L dσ dΩ 2₎ ∆Ω dσ dΩ = ! ZZAe2 16πε0E "2 1 sin4 θ 2 Z ZA e 1.602.10−19 E θ ∆Ω = ∆S R2 ∆S

(121)

n = ρ.NA Mn ρ −3 Mn −1 NA −1 θ ◦ µA µm ∆

(122)

(123)

(124)

(125)

◦

(126)

α (10−4₎ αMS ± ± ± αSR ± ± ± αTR ± ± ± θ ◦ ◦ ◦ ◦ _θ θ µm

(127)

± µm

±

◦

(128)

(129)

∆x = qELE 4T0 (LE+ 2LD), ∆x q E LE T0 LD ELE LE ∆x×T0

(130)

(131)

∆x×T0[MeV] = qELE×GGeom GGeom= 1₄(LE+ 2LD) GGeom ∆x×T0 qELE.GGeom∼16.6 µm δE ∼ 10−2 σ(qElEGGeom) ∼ 0.15 qELE∼0.076 σ(qElE) ∼ 0.8 σx σx/x σx σx 7.9 T0 ∼7.9 T0 ∼1.9 8 T0 ∼8 T0 ∼2.2 10 T0 ∼10 T0 ∼5.56 ∆y= qBLBc mc2_β 0 ×_H_Geom c2 _β 0 β0 v0_c HGeom

(132)

β0 ∆y(W) − ∆y(Ta) = qBLBc mc2 ×HGeom ! 1 β0(W) − 1 β0(Ta) " ∆y = −6.66 mm ∆(_β1₀) = 8.91 I(B) = B.LB = 4.3 10−3m.T ∆y = −5.7 mm ∆(_β1₀) = 6.59 I(B) = B.LB = 5 10−3 m.T ∆y = −1.48 mm ∆(_β1₀) = 2.42 I(B) = B.LB = 4.4 10−3m.T xD= qELE T0 GGeom E.LE GGeom= 1₄(LE+ 2LD) xD ± I(E) = ELE

(133)

(134)

∆y I(E) = 1 N ' ixD(i)T0,i 1 GGeom

(135)

xD

(136)

xD yD 40 µm −4 δp p µm µm δT0 = ( dE dx ) .0.1 µm δT0 ∼3.8.10−3 GGeom LD GGeom δG = 1 δpI(E) = * * * * ∂I(E) ∂p * * * * δp p = xD/T/GGeom p = xD δxI(E) = δxD× 1 N.GGeom .' iTi p = T0,i δTI(E) = δT0,i × 1 N.GGeom .' ixD(i)

(137)

p = GGeom δGI(E) = I(E) × δGGeom GGeom δxI(E) = 1.52.10−6 δTI(E) = 2.9.10−5 δGI(E) = 3.3.10−5 δ(I) I = 4.10−3 I(B) = BLB LB → → _µm I(B) = 1 N ' i ∆yD(i) 0.17 × ! 1 β0 (W)i− 1 β0 (Ta/Al)i "−1 i

∆yD(i) = yD(W) − yD(Ta/Al)

β0(W) µm

β0(Ta/Al)

(138)

→ _β₀_(W) → _β₀_(Ta/Al)

∆yD(i) = yD(W)i−yD(Ta/Al)i ∆yD(i)

µm δ∆yD(i) ∼ 60 µm β0(Ta/Al) δT0 ∼4.10−3 1 β0(Ta/Al) δ( 1 β0 (Ta/Al)) ∼ 1 2β0 (Ta/Al) × δT0 T0(Ta/Al) δ(1 β0(Ta/Al)) ∼ 2.10−3 δT T 1 β0 T0 = 8 MeV µm T0,i(W) β0(W)i T0,i(W) δT0(W)i= T0,i(W) × δI(E) I(E) 0 δT(W)i 1 β0(W )i δ( 1 β0 (W)) = 1 2β0 (W) × δT0(W) T0(W) δ( 1 β0 (W)) = 1 2β0 (W) ×δI(E) I(E)

(139)

δyI(B) = 1 N × 0.17 × ' i ! 1 β0 (W)i− 1 β0 (Ta/Al) "−1 ×_δ∆y_D δβ0(Ta/Al)iI(B) = 1 N × 0.17 × ' i ! 1 β0 (W)i− 1 β0 (Ta/Al) "−2 ×_∆y_D_{(i) × δ(} 1 β0 (Ta)) δβ0(W)iI(B) = 1 N × 0.17 × ' i ! 1 β0 (W)i− 1 β0 (Ta/Al) "−2 ×_∆y_D×_δ 1 β0 (W) δβ0I(B) = 1 N × 0.17 ' i∆yD(i) ! 1 β0 (W)i− 1 β0 (Ta/Al)i "−2 ×_(δβ₀_{(W) + δβ}₀_(Ta/Al)) δβ0I(B) = 1 N × 0.17 + ' i∆yD(i) 2! 1 β0 (W)i− 1 β0 (Ta/Al)i "−2, 1 2 ×-δβ₀_(W)2_{+ δβ}₀_(Ta/Al)2. 1 2 δyI(B) = 8.27.10−6 δβ0(Ta/Al)iI(B) = 1.6.10−4 δβ0(W)iI(B) = 5.10−4

(140)

(141)

Chapter

5

(142)

(143)

(144)

90_Sr/90_Y

(145)

(146)

(147)

Appendix

A

20th

(148)

− − − / − − → E −→B

(149)

− → B =      0 B 0      − → E =      0 E 0      Lm md 2_x dt2 = −q. dz dt.B (x0, y0, z0) = − → 0 (vx0, vy0, vz0) = (0, 0, v0) ωc ωc= qB/m v0    vx = −v0.(ωct) vz = v0    x = −v0ωc.t2/2 z = v0.t (x(tm), z(tm)) x(tm) = −v0.ωc. t2 m 2 z(tm) = Lm tm= Lm v0 . d = l + Le+ L

(150)

xD = x(tm) + vx(tm) vz(tm) .d xD= − ωc.Lm 2.v0 (Lm+ 2d) Lm+ l < z < Lm+ l + Le md 2_y dt2 = q.E vy= q.E m .t y = q.E m . t2 2 te= Le/v0 tE= dE/v0 z = Le+ l + Lm+ L yD= y(tE) + vyte vz(tm) .L yD= q.E.Le 2.m.v2 0 (Le+ 2L)

(151)

∼ ∼ γ γmd 2_y dt2 = qE qELE γmdy dt = qEt γ ∼17) t = Le_c dy dt(Le) = qELE γmc y(Le) = 1₂qEL 2 e γmc2 yD= qELE 2γmc2(2L + Le) γ Ee

(152)

yD=

qELE

2Ec

(2L + Le)

(153)

Appendix

B

R(E) = α # ǫ 0 dE dz.exp(− z L) dz ǫ α dE dz(z) = cte R(E) = αdE dz # ǫ 0 exp(−z L) dz R(E) = αdE dz.L # ǫ/L 0 exp(−u) du

(154)

R(E) = αdE dz.L[1 − exp(− ǫ L)] R(E) = αdE dz.ǫ. L ǫ(1 − exp(− ǫ L)) ǫ_{.dE/dz = ∆E} R(E) = αL ǫ(1 − exp(− ǫ L)).∆E

R(E) = αHidding.∆E

(155)

Appendix

C

(156)

   p = p′_{cosθ + p}′ AcosθA (1) 0 = p′_{sinθ + p}′ AsinθA (2) (p − p′_cosθ)2_{+ p}′2_sin2_θ _{= p}′2 A E = E′_{+ E}′ A E = p2_/2m E′ _{= p}′2_/2m E′ A = p′2A/2mA    p2 2m = p′2 2m + p′2 A 2mA (5) p′2 A = mmA(p 2₋_p′2₎ ₍₆₎ (p − p′cosθ)2+ p′2sin2θ = mA m (p 2₋_p′2₎ (1 + mA m )p ′2₋_2pp′_{cosθ + p}2_{(1 −}mA m ) = 0 p′ ₌ p.cosθ (1 + mA m ) ± p (1 + mA m ) 8 (mA m ) 2−_sin2_θ mA m = 1 ∀ _θ

(157)

p′ = p.cosθ (1 + mA_m) + p (1 + mA_m ) 8 (mA m ) 2₋_sin2_θ

(158)

Appendix

D

20 2

(159)

−

(160)

(161)

(162)

http : //www−lmj.cea.f r/docs/2014/LM J P ET AL U sers guide v1.0.pdf −

(163)

−

− − − − − − _/

(164)

(165)

https : //www.nist.gov/pml/stopping − power − range − tables − electrons − protons − and − helium − ions

(166)