Spectral and temporal characterization of X-ray emission from laser - clusters interaction
Caractérisation spectrale et temporelle de l'émission X issue de l'interaction laser - agrégats
Résumé
Rare gas clusters are an intermediate state of matter between the bulk material and molecules. Studies of their interaction with short and intense laser pulses have demonstrated the ability to yield energetic (multi-keV) X-rays, fast ions, electrons and even neutrons, owing to high laser energy absorption rates. Among these emission processes, we have specifically studied the intensity, the spectrum and the duration of X-rays, as a first step for cluster-based X-ray source applications. In this context, a 800 fs rms time-resolution streak camera has been developed in collaboration with INRS-Energie (Varennes, Canada). We studied the behaviour of Ar clusters (with radii ranging from 15 to 30 nm) irradiated with short (30 fs - 5 ps) and intense (up to 1e17 W/cm2) laser pulses from the CELIA kHz laser system. The emission in energetic X-rays (> 2 keV) has been observed to be shorter than the temporal resolution. By inserting in our set-up a conical crystal, we have been able to measure the duration of the K-shell emission together with a spectral resolution in the 2.9 - 3.2 keV range. The measurements indicate that the duration of these lines is extremely short, less than the temporal resolution, with signal accumulation corresponding to up to a few 1e5 shots. We have further performed numerical simulations of both the laser-cluster interaction and the X-ray emission. Our calculations are based on a nanoplasma model and a time-dependant collisional-radiative code. Calculated time-resolved X-ray spectra seem to reproduce both the short duration emission and the observed high ionic charge state.
Les agrégats de gaz rare constituent un état de la matière intermédiaire entre les cibles solides et les atomes en phase gazeuse. Il a été démontré que les agrégats irradiés sont sources d'ions, d'électrons, de neutrons énergétiques ainsi que de rayonnement allant du visible aux X durs. Cette source peut-être produite avec un taux de répétition élevé et a l'avantage de ne pas produire de débris, et de présenter une très forte conversion de l'énergie laser incidente. Nous nous intéressons au rayonnement X particulièrement, en le caractérisant en intensité, spectre et durée, comme préalable à toute application. En collaboration avec l'INRS-Energie (Varenne, Canada), nous avons mis en œuvre une caméra à balayage de fente dont la résolution temporelle est de 800 fs rms. En focalisant des impulsions laser courtes (30 fs - 5 ps) et intenses (jusqu'à 1e17 W/cm2) sur des agrégats d'argon (15 - 30 nm), nous avons démontré que l'émission X dont l'énergie est supérieure à 2 keV est plus courte que la résolution temporelle. En couplant la caméra à un cristal tronconique, nous nous sommes intéressés au rayonnement de couche K dans la gamme 2,9 - 3,2 keV. Nous avons démontré que ce rayonnement a une durée inférieure à la résolution temporelle, et que les raies étaient émises avec un écart temporel relatif inférieur à 1 ps. Une simulation basée sur un modèle nano-plasma et sur un code collisionnel-radiatif a été développée au CELIA. Les spectres X résolus en temps calculés reproduisent à la fois la brièveté d'émission du rayonnement X et les états de charge élevés observés.
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