Sonder la matière comprimée avec des rayons X créés par laser

Une équipe pluridisciplinaire du CEA - DAM a mis au point une source de rayons X pour imager les entrailles d’échantillons de matière portés à très haute pression. Grâce à une démarche couplant expériences laser et simulations numériques [1], elle est parvenue avec succès, dans le cadre du programme Simulation, à exploiter le faisceau laser ultra-intense Petal sur l’installation Laser Mégajoule pour réaliser des radiographies d’objets comportant des motifs de dimension micrométrique.

Sur le principe des radiographies médicales, il est possible de sonder tout objet grâce à des rayons X. Ceux-ci le traversent en interagissant avec lui, puis impriment une plaque radiographique. L’exploitation de celle-ci donne accès aux propriétés de la matière. Les informations que l’on déduit de telles radiographies sont importantes pour analyser les expériences menées sur le Laser Mégajoule.

Rappelons que, grâce à cette installation, il est possible de comprimer de manière intense et soudaine, sur une durée de l’ordre de quelques nanosecondes (10^–9 s), un objet de dimensions millimétriques. Réaliser des radiographies d’un objet dans de telles conditions ne peut se faire qu’à l’aide de sources de rayons X bien particulières : la brièveté temporelle et les dimensions microscopiques des phénomènes que l’on souhaite observer requièrent un flash X extrêmement bref, d’une durée de l’ordre de ou inférieure à la dizaine de picosecondes (10^–12 s), et une dimension de source inférieure à quelques dizaines de micromètres (10^–6 m) afin de produire une image bien résolue spatialement.

Pour ces expériences, la source des rayons X est produite grâce au laser Petal (Petawatt Aquitaine Laser) qui illumine une cible spécialement conçue, représentée sur la figure 1. Couplé au Laser Mégajoule, le laser Petal se distingue des autres faisceaux laser de l’installation par sa brièveté (la durée de l’impulsion est mille fois plus courte que celle des autres faisceaux), la petite extension de la zone illuminée (cinquantaine de micromètres) et sa très grande intensité (plus de mille fois supérieure à celle des autres faisceaux). Cette dernière caractéristique permet à Petal d’arracher un grand nombre d’électrons à la cible illuminée, puis de les accélérer à très grande vitesse. Ces électrons, en cheminant dans la matière, conduisent par effet Bremsstrahlung à l’émission des rayons X recherchés pour les expériences de radiographie.

Pour cette expérience, la cible créant la source de rayons X se compose d’une feuille de plastique sur laquelle est collé un mince fil d’argent d’une épaisseur de 25 micromètres. En principe, les phénomènes physiques qui fondent le fonctionnement de la source X sont bien compris. Cependant, dans le domaine des grandes installations laser, rien n’est tout à fait simple : par exemple, pointer le laser Petal sur le fil nécessite une précision équivalente à celle de viser une tête d’épingle à une distance de 500 mètres ! On comprend que face à une telle exigence de précision, le laser puisse ne pas être parfaitement pointé sur le fil à chaque tir. Heureusement, la feuille de plastique permet de récupérer la majeure partie de l’énergie laser : des électrons rapides y sont produits et leur interaction avec le fil engendre aussi des rayons X. Afin de caractériser la source de rayonnement, celle-ci a été employée pour radiographier un ensemble de plots métalliques. Cette expérience simple permet d’évaluer les propriétés de la source, comme sa dimension ou son intensité dans un contexte bien maîtrisé. La radiographie expérimentale obtenue est illustrée sur la figure 2a.

Néanmoins, même dans ces conditions idéalisées, réaliser des expériences sur un grand laser comme Petal est coûteux en temps et en ressources. La simulation numérique permet de mieux comprendre les résultats expérimentaux en donnant accès à des informations microscopiques sur le plasma à l’origine du rayonnement X. Elle permet aussi de prévoir les images radiographiques en fonction des paramètres du laser Petal, et donc de réduire le nombre d’expériences préparatoires. Pour ce faire, nous avons utilisé les codes de calcul Troll et Calder, tous deux développés au CEA ‑ DAM, ainsi que Geant4, un code du Cern librement accessible, pour décrire l’ensemble du processus de radiographie. Nous avons ainsi démontré non seulement les bonnes propriétés de la source pour produire des clichés radiographiques de qualité, mais aussi l’accord entre prédictions et mesures (figure 2b) [1]. Cette source sera désormais disponible pour les expériences sur l’installation Laser Mégajoule-Petal, en particulier dans le cadre de son programme d’ouverture académique.