Detection of laser-driven high-flux neutrons in view of nuclear astrophysical applications

Détection de flux neutronique intense en vue d'applications d'astrophysique nucléaire

• Auteur / Autrice : Vincent Lelasseux
• Direction : Julien Fuchs
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique
• Date : Soutenance le 28/09/2022
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire pour l'utilisation des lasers intenses (Palaiseau, Essonne ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Ishay Pomerantz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julien Fuchs, Ceri Brenner, Peter Thirolf, Paul McKenna, Satyabrata Kar
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ishay Pomerantz, Ceri Brenner

Mots clés

Mots clés contrôlés

Détecteurs de neutrons

Lasers en physique

Astrophysique nucléaire

Mots clés libres

Laser haute intensité

Détection neutron

Astrophysique nucléaire

High-intensity laser

Neutron detection

Nuclear astrophysics

Résumé

Avec l’avènement de lasers multi-PW, il devient possible de générer des faisceaux de particules avec des intensités jamais atteintes jusqu’à présent. En effet, avec des intensités laser aussi importantes, les interactions laser-matière permettent de produire des faisceaux de protons dont l’énergie peut atteindre des dizaines voire des centaines de MeV dans les années qui viennent. Ces faisceaux de protons peuvent alors directement être utilisés à des fins scientifiques, ou une fraction de ceux-ci peut être transformée en faisceau de neutrons en utilisant un convertisseur adéquat. Avec de telles énergies, un proton peut être absorbé par un noyau lourd et produire plusieurs neutrons de plus basse énergie à travers un processus appelé spallation.Un tel faisceau de neutron pourrait être utilisé pour étudier un processus de nucléosynthèse qui a lieu uniquement avec des flux neutroniques extrêmement importants, le processus r. Ce processus ne peut avoir lieu que lors d’évènements cataclysmiques tels que des supernovæ ou des fusions d’étoiles à neutrons et est vu comme le responsable principal de la création des noyaux les plus lourds. Étudier expérimentalement ce processus est de nos jours extrêmement compliqué de par les flux neutroniques à atteindre mais les faisceaux de neutrons générés par laser pourraient être un début de réponse à ce problème. D’autres applications telles que la neutronthérapie ou la spectroscopie par résonance neutronique pourrait bénéficier de cette nouvelle source.Mais pour utiliser un tel faisceau de neutron, il est d’abord nécessaire de le caractériser. Dans cette thèse, nous présenterons le développement d’un détecteur de neutrons adapté aux environnements de laser de haute intensité. Ce développement inclut l’essai de prototype, des simulations à l’aide de Geant4 ainsi que la calibration de l’instrument à l’aide de sources de gammas et de neutrons.Nous présenterons également les résultats obtenus lors de deux campagnes expérimentales utilisant deux versions du détecteur que nous avons développé. Une campagne a eu lieu sur l’installation LULI200 (Palaiseau, France) et utilisait une version haute efficacité du détecteur pour étudier l’influence de l’état du plasma/solide sur des réactions nucléaires. La seconde campagne était celle de la mise en service de l’installation APOLLON (Saint-Aubin, France). Une version temps de vol neutronique du détecteur a alors été utilisée dans la perspective de mesurer à la fois le spectre énergétique et l’intensité des premiers faisceaux de neutrons générés sur l’installation.

With the advent of multi-PW lasers, it becomes possible to create particle beams with intensity never reached before. Indeed, at such high laser intensity, laser-matter interaction allows to produce proton beams with energy as high as several tens of MeV, maybe hundreds of MeV in the next years. Such proton beam can then either be used directly for scientific purposes or a part of it can be converted into a neutron beam using the right kind of converter. With such high energy protons, through a process called spallation, a proton can be absorbed by a heavy nucleus and produced several neutrons with lower energy.Such a neutron beam could be used to investigate a nucleosynthesis process only happening with tremendous neutron flux, the r-process. This process only happens during cataclysmic events like supernovae or neutron stars collisions. It is seen as the main responsible of the synthesis of the heaviest nuclei. Investigating experimentally this process is nowadays very difficult due to the high neutron flux at play but laser-driven neutron beam could be a way to address this problem. Other applications such as neutron therapy or neutron resonance spectroscopy could benefit from this new source.To use such a neutron beam, one need at first to characterize it. In this thesis we will present the development of a neutron detector adapted to the high intensity laser environment. This development includes prototype testing, Geant4 simulations and the calibration of the instrument using gamma and neutron sources.We will also present the results obtained from two campaigns using different versions of the detector we developed. One campaign took place at the LULI2000 (Palaiseau, France) facility and used a high efficiency design to investigate solid/plasma effect on nuclear reaction. The second campaign was the commissioning of the APOLLON facility (Saint-Aubin, France). A neutron time-of-flight version of the detector was used in order to measure both the energy spectrum and the intensity of the first neutron beam generated in this facility.