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

par Thomas Lahens

Thèse de doctorat en Astrophysique, Plasmas, nucléaire

Sous la direction de Fabien Dorchies et de Claude Fourment.

Thèses en préparation à Bordeaux , dans le cadre de Sciences Physiques et de l'Ingénieur , en partenariat avec Centre Lasers Intenses et Applications (laboratoire) .


  • Résumé

    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.

  • Titre traduit

    Propagation of an intense relativistic electron beam for flash radiography in a cold plasma


  • Résumé

    At the department of military application at cea, flash radiography is being used to image high velocity matter (few km/s), with high density. For this purpose, X-rays need to have an energy around 10MeV, to be short (60ns) and produce a dose of several hundreds of rad. To generate this kind of X-rays, an intense relativistic electron beam (typically 20MeV, a few kA during 60ns) is focused on a conversion target. During the beam/target interaction, a certain amount of the beam energy is converted into heat. Because the energy deposition is very abrupt, we observe temperature and pressure of the order of 1eV and 1Mbar. Under such extreme conditions, matter is vaporised and a plasma plume expand around the conversion target. In the context of prospective studies on a multi-pulse flash radiographic chain, our goal is to study the influence a this plasma plume on the quality of the successive X-ray pulses. To do so we want to design an experiment where we propagate a flash radiographic electron beam in a plasma. First, jointly with a bibliographic study, we made calculations using the envelop equation, modified to take into account the influence of the plasma. The key parameter in beam/plasma interaction is the ratio of their respective electronic densities. Consequently to this preliminary study, we concluded that for the design of our experiment, we needed plasmas with electronic densities between 10^10 cm^(-3) and 10^12 cm^(-3). For this purpose, we took interest in glow discharges and design a test bench to characterize them with different type of diagnostics. We performed measurements with a langmuir probe, a radiofrequency interferometer and a new diagnostic based on capacitive coupling with the plasma and we came to the conclusion that the maximum electronic density in glow discharges was of the order of 10^10 cm^(-3). Although this does not cover the whole range of electronic density, we designed a device capable of generating a glow discharge and that we could clip on the beam pipe of an accelerator. We called this device the plasma cell. In parallel, in order to be able to sweep the whole range of electronic densities, we develop an inductive heating system for the glow discharges. Interferometric measurements shows that this system allows us to reach electronic densities of the order of 10^13 cm^(-3) even though some work is required to improve its reliability before we can use it on the plasma cell. We tested the first version of the plasma cell on the FEVAIR facility at CEA-CESTA (4MeV, 2kA, 60ns). During this experimental campaign, most of the characteristics of the plasma cell were successfully tested, especially one of the most critical one : the plasma/vacuum interface. We achieved propagation of the FEVAIR beam through the plasma cell and measured the beam net current at different axial positions, as well as the beam profil at its exit. First, we observe that gas pressure was acting on the beam from a few 10^(-2) mbar, which is the minimu pressure at which we are able to generate a glow discharge. Besides, this effect is predominant on the effect of the glow discharge. In addition to that, we saw that peripheral electrons were hiting the cell, causing an electrical charge and influencing the beam propagation. This obervations have inspired some improvements on the plasma cell : its evolution will be shorter and equiped with an inductive heating system based on the one we develop during this thesis. On top of that, this experimental campaign emphasize the importance of a detailled description of the beam and its interaction with the gas in the cell, in this kind of regime.