Détection en temps réel de particules auprès des lasers de puissance

Abstract

Les lasers de haute puissance tirant à haute cadence permettront d'étudier dans un laboratoire les propriétés des états d’un noyau plongé dans un plasma chaud et dense. Dans ces plasmas astrophysiques, les noyaux peuvent être très efficacement excités par le milieu et peuvent même présenter des modifications des durées de vie apparentes de leurs niveaux. Les états du 181mTa et du 84mRb conviennent à ces premières études car ils présentent des niveaux qui peuvent être excités par les particules du plasma. Les observables de ces excitations sont des émissions gamma de 6,2 keV avec une demi-vie de 6,05 µs dans le cas du 181Ta et des gammas d'environ 250 keV émis avec une demi-vie de 9 ns dans le cas du 84Rb. Les détecteurs de ses rayonnements gammas doivent être capables de résister aux fortes perturbations subséquentes à un tir laser de puissance dues aux intenses paquets d'électrons et de photons de Bremsstrahlung créés ainsi qu’aux grandes impulsions électromagnétiques (EMP). Le flux de rayons X et les EMP peuvent aveugler les détecteurs pendant plusieurs ms voire même les endommager. De plus, l’éventuelle radioactivité associée aux durées de vie aussi courtes favorise les empilements des signaux issus des détecteurs (pile-up). Ces derniers doivent donc être adaptés pour survivre dans cet environnement difficile tout en permettant d’effectuer une spectroscopie gamma en quelques centaines de µs.Pour détecter les rayons gammas de quelques centaines de keV issus de la désexcitation du 84mRb, nous avons étudié un détecteur semi-conducteurs à base de CdTe et un scintillateur LaBr3 couplé à un photo-détecteur hybride (HPD). Pour la détection des rayons gamma de faible énergie (6,2 keV), nous avons utilisé une photodiode à avalanche (APD) présentant une zone de déplétion épaisse. Ces détecteurs ont été étudiés expérimentalement en conditions normales d’utilisation et en environnement perturbé au voisinage du laser de haute intensité ECLIPSE du CELIA, configuré pour produire des X en grande quantité. Une analyse hors ligne spécifique a été développée pour minimiser le temps mort des détecteurs et la mise en œuvre d'algorithmes ont permis de corriger des phénomènes de pile-up. Les détecteurs à semi-conducteurs ont également fait l'objet d'une étude théorique en simulant leurs réponses via l’utilisation des codes Geant4 et Silvaco TCAD. Par ailleurs, le détecteur CMOS RadEye de la société Teledyne a été étalonné sur l’accélérateur de protons AIFIRA. Ce détecteur associé à un spectromètre dispersif devrait permettre de caractériser les particules chargées accélérées par l’interaction laser-plasma.La simulation TCAD du cristal CdTe a montré que le temps de réponse intrinsèque du détecteur est d’1 µs, ce qui peut engendrer des problèmes de pile-up pour détecter des décroissances radioactives présentant des demi-vies de quelques ns. De plus le CdTe est aveugle pendant environ 14 µs après le flash X accompagnant un tir laser, interdisant toute spectroscopie gamma pendant cette période. Quant au scintillateur LaBr3, nous avons simulé la diode PIN de l’HPD et montré que le signal de plusieurs centaines de µs engendré par le flash X est principalement dû à de afterglow du scintillateur. Par ailleurs, un traitement hors ligne approprié du signal issu du Labr3, a permis de réduire le temps mort de 60 à 15 µs, ce qui est malheureusement encore trop long pour l’étude du 84Rb.Détecter des gammas de quelques keV au moyen d’une APD semble a priori difficile car son exposition au flash X peut créer à ses bornes un signal de 90V durant 40 µs. Cependant, en associant 2 APD en mode différentiel, nous avons réduit ce signal à environ 30 mV pendant 1 µs , autorisant alors la spectroscopie gamma du 181mTa.Enfin, l'étalonnage du détecteur RadEye a révélé qu’il nécessite au minimum ~1000 protons de 3 MeV pour activer un pixel, ce qui est rédhibitoire.