Lors du fonctionnement d'un réacteur de fusion nucléaire par confinement magnétique comme ITER, une fraction de tritium est piégée par les composants face au plasma et doit être mesurée pour des raisons de sureté nucléaire. La spectroscopie de plasma induit par laser est proposée pour effectuer cette mesure. Le plasma laser produit sur des tuiles de Tore Supra en composite à fibre de carbone est analysé à l'aide d'une étude paramétrique : il doit avoir une température supérieure à 10000 K et une densité électronique supérieure à 10^17 cm^-3 pour optimiser l'application. Une méthode "autocalibrée" prenant en compte l'auto-absorption des raies est utilisée pour déterminer la concentration relative d'hydrogène à partir des spectres expérimentaux. La caractérisation spatio-temporelle du panache d'ablation révèle la présence d'un gradient de température dirigé du centre vers la périphérie du plasma. La prise en compte de ce gradient permet de déduire le rapport des concentrations H/C. L'incertitude de la mesure est évaluée et discutée. La mesure du rapport isotopique D/H sous pression réduite d'argon met en évidence un effet de ségrégation qui doit être pris en compte afin d'éviter des erreurs de mesure de l'ordre de 50%. Les matériaux à base de tungstène sont analysés et les difficultés associées aux données spectroscopiques sont abordées. Enfin, la faisabilité de l'analyse LIBS résolue en profondeur est validée pour des échantillons métalliques multicouches préalablement étalonnés. / During the operation of a nuclear fusion device like the future reactor ITER, a fraction of tritium is trapped in the plasma facing components and has to be measured in order to fulfill nuclear safety requirements. Laser-induced breakdown spectroscopy is proposed to achieve this measurement. The laser plasma produced on carbon fibre composite tiles from the Tore Supra reactor is analyzed via a parametric study : it has to have a temperature over 10000 K and an electron density over 10^17 cm^-3 to optimize the application. A calibration-free procedure that takes into account self-absorption is proposed to determine the relative concentration of hydrogen from the experimental spectra. The time- and space-resolved spectral emission of the plasma plume is investigated and reveals the presence of a temperature gradient from the core towards the periphery. This gradient is taken into account and the H/C concentration ratio is deduced. The accuracy of the results is evaluated and discussed. The study of the D/H isotopic ratio under low pressure argon reveals the presence of plume segregation that leads to an error of about 50%, error that can partially be reduced. Tungsten materials are investigated and difficulties related to spectroscopic databases are discussed. Finally, the feasibility of LIBS analysis with depth resolution is validated for multilayered metallic samples.

Ng, Siu Fai = 溫暖稠密物質及高能量密度物理的研究 / 吳肇輝. / Thesis (M.Phil.)--Chinese University of Hong Kong, 2009. / Includes bibliographical references (leaves 126-133). / Abstracts also in Chinese. / Ng, Siu Fai = Wen nuan chou mi wu zhi ji gao neng liang mi du wu li de yan jiu / Wu Zhaohui. / Chapter 1 --- Introduction --- p.16 / Chapter 1.1 --- General review of high energy density physics --- p.16 / Chapter 1.2 --- General review of warm dense matter --- p.20 / Chapter 1.2.1 --- Physics of warm dense matter --- p.20 / Chapter 1.2.2 --- Uncertainties of warm dense matter --- p.23 / Chapter 1.2.3 --- Challenges of warm dense matter studies --- p.25 / Chapter 1.3 --- Use of intense heavy ion beam --- p.27 / Chapter 1.4 --- Motivation and structure of this thesis --- p.32 / Chapter 2 --- Hydrodynamic simulations --- p.34 / Chapter 2.1 --- Lagrangian hydrodynamic code --- p.34 / Chapter 2.2 --- Hydrodynamic equations --- p.35 / Chapter 2.3 --- Artificial viscosity --- p.36 / Chapter 3 --- Equations of state --- p.38 / Chapter 3.1 --- Van der Waals' equation of state --- p.39 / Chapter 3.2 --- Quotidian equation of state --- p.41 / Chapter 3.3 --- Saha-based equation of state --- p.41 / Chapter 3.4 --- Inverse power potentials equation of state --- p.48 / Chapter 3.5 --- Gruneisen-type equation of state --- p.53 / Chapter 3.6 --- Discussion --- p.59 / Chapter 4 --- Single bubble sonoluminescence --- p.63 / Chapter 4.1 --- Introduction --- p.63 / Chapter 4.2 --- Theory of sonoluminescence --- p.65 / Chapter 4.2.1 --- Bubble wall dynamics --- p.66 / Chapter 4.2.2 --- Radiation transport --- p.67 / Chapter 4.2.3 --- Diffusive stability --- p.68 / Chapter 4.3 --- Numerical simulation --- p.68 / Chapter 4.3.1 --- Determination of the ambient radius --- p.69 / Chapter 4.3.2 --- Simulations using SEOS --- p.70 / Chapter 4.3.3 --- Simulations using QEOS --- p.77 / Chapter 4.4 --- Conclusion --- p.82 / Chapter 5 --- Collapsing bubble in ion-beam-heated metal --- p.83 / Chapter 5.1 --- Introduction --- p.83 / Chapter 5.2 --- Bubble collapse --- p.86 / Chapter 5.2.1 --- First step of collapse --- p.88 / Chapter 5.2.2 --- Stagnation point and bubble size --- p.89 / Chapter 5.2.3 --- Outer boundary and metal thickness --- p.91 / Chapter 5.2.4 --- Metal layer just outside bubble --- p.93 / Chapter 5.3 --- Effect of equation of state used --- p.95 / Chapter 5.3.1 --- Inverse power potentials equation of state --- p.95 / Chapter 5.3.2 --- Effect of ionization --- p.97 / Chapter 5.3.3 --- Effect of hard core --- p.97 / Chapter 5.3.4 --- Effect of EOS for metal --- p.97 / Chapter 5.4 --- Effect of proposed experimental parameters --- p.102 / Chapter 5.4.1 --- Initial gas density --- p.102 / Chapter 5.4.2 --- Energy deposition rate --- p.102 / Chapter 5.5 --- Conclusion and discussion --- p.105 / Chapter 6 --- High coupling efficiency compression by intense ion beams --- p.108 / Chapter 6.1 --- Introduction --- p.108 / Chapter 6.2 --- Ion stopping formulation --- p.111 / Chapter 6.3 --- Numerical simulation --- p.112 / Chapter 6.3.1 --- Lithium hydride target --- p.112 / Chapter 6.3.2 --- Underdense aluminum foam --- p.118 / Chapter 6.4 --- Conclusion --- p.119 / Chapter 7 --- Conclusion --- p.121 / Chapter 7.1 --- Summary --- p.121 / Chapter 7.2 --- Suggestions for future work --- p.123 / Bibliography --- p.126

Dans tout accélérateur de particules, l'injecteur est d'une importance cruciale car il détermine la plupart des caractéristiques du faisceau accéléré. Les accélérateurs laser plasma, basés sur l'interaction d'une impulsion laser ultra brève et ultra intense avec un plasma sous dense, ne dérogent pas à cette règle. Cependant, pour ces accélérateurs ultra compacts, l'injection est un véritable défi : pour obtenir une source de bonne qualité, il faut injecter un faisceau d'électrons ultra court synchronisé très précisément avec le laser. Dans cette thèse, la pertinence d'un injecteur optique, utilisant une deuxième impulsion laser, est démontrée expérimentalement. Cet injecteur permet d'obtenir des faisceaux d'électrons mono-énergétiques de façon stable. De plus, cet injecteur permet de régler les paramètres du faisceau produit. Ainsi l'énergie, la charge et la dispersion en énergie du faisceau sont ajustables simplement, en changeant les paramètres de la deuxième impulsion laser. Ces contrôles supplémentaires permettent d'étudier précisément les phénomènes physiques ayant lieu lors de l'accélération du faisceau d'électrons. Ainsi, les effets de beam loading, liés à l'interaction du faisceau d'électrons avec le plasma, ont pu être mis en évidence et étudiés. L'optimisation de l'injecteur a permis d'obtenir les faisceaux d'électrons les plus fins spectralement mesurés à ce jour dans l'interaction laser plasma, avec des dispersions en énergie de l'ordre du pourcent.

Cette thèse de doctorat s'intègre dans le cadre des études tant expérimentales que théoriques sur la production et l'accélération de faisceaux de particules par interaction laser plasma en régime relativiste. Dans la première partie de ce mémoire, les différents mécanismes physiques à l'origine de la production de neutrons, d'électrons et de protons sont passés en revue et discutés. La deuxième partie s'intéresse à la production de neutrons par la réaction D(d,n)3He utilisée comme diagnostic de la température ionique d'un plasma sous dense. Lors de la production de faisceaux d'électrons à partir d'un faisceau laser ultra-court focalisé sur un jet de gaz, un nouveau régime d'accélération, le "sillage forcé", a été mis en évidence. Cette étude fait l'objet de la troisième partie. Il a été montré expérimentalement et théoriquement que l'utilisation d'un laser compact peut produire un faisceau d'électrons très énergétiques et de bonne qualité. La dernière partie est consacrée à la génération de faisceaux de protons avec une cible solide et mince à partir de la même chaîne laser. Pour chaque type de sources de particules, plusieurs applications sont discutées dans les domaines de la physique des accélérateurs, pour la physique médicale et pour la génération de rayonnement X par des processus secondaires.

Différents aspects de l'interaction d'une impulsion ultra-courte et ultra-intense avec un plasma sous-dense ont été étudiés analytiquement et numériquement.Ces études présentent un intérêt pour l'accélération laser de particules dans les plasmas, les lasers à rayons X, la génération d'harmoniques d'ordre élevé, le concept d'allumeur rapide pour la fusion par confinement inertiel. On a utilisé le code particulaire relativiste WAKE développé précédemment à l'Ecole Polytechnique. Ce code a été modifié au cours de la thèse pour traiter le mouvement des ions, pour calculer des trajectoires d'electrons tests, et pour inclure des diagnostics divers sur les champs et les particules. Les sujets traités dans cette thèse sont les suivants: l'accélération de photons dans le sillage d'une impulsion laser courte et intense, la vitesse de phase de l'onde plasma dans le sillage d'une impulsion laser auto-modulée, la canalisation relativiste d'impulsions laser de durée de l'ordre de la période plasma, la dynamique ionique dans la sillage, le déferlement. Ensuite on a simulé 3 expériences de propagation d'onde laser et d'accélération d'électrons. Voici les principaux résultats de la thèse : La réduction de la vitesse de phase de l'onde plasma dans le cas d'une impulsion laser auto-modulée ne joue que dans le cas d'un canal préformé pour la guidage relativiste de l'onde laser. On a trouvé des structures self-similaires pour décrire le guidage relativiste d'une impulsion courte dans un plasma. On a démontré la propagation auto-guidée d'impulsion initialement gaussiennes de quelques périodes plasma. On a montré que la force pondéromotrice de l'onde plasma excitée par l'impulsion laser fomre un canal et le déferlement dans ce canal a été analysé en détail. Les éfficacités de l'accélération d'électrons dans le champ laser et dans l'onde plasma ont été comparées. Le décalage en fréquence d'une sonde se propageant dans le sillage plasma a été étudié dans des conditions correspondant à des expériences actuelles.

This thesis describes the development of soft x-rayreflective optics, instrumentation and applications for compactsoft x-ray microscopy. The microscope is based on a table-topliquid-jet-target laser-plasma source in combination with aspherical normal-incidence multilayer condenser mirror andnanofabricated diffractive optics for imaging. High-resolutionimaging is performed at the wavelength 3.374 nm in thewater-window (2.3 - 4.4 nm), where natural contrast betweencarbon and oxygen allows imaging of unstained biologicalmaterial in their natural aqueous environment. The design and implementation of a compact soft x-rayreflectometer based on a laser-plasma source is described. Thereflectometer allows rapid and accurate characterization ofnormal-incidence multilayer coatings used at water-windowwavelengths. This instrument, which measures absolutereflectivity and multilayer period, is now used in thefabrication process, aiming to improve the soft x-raynormal-incidence multilayer condenser system of the compactsoft x-ray microscope. Latest results from the developmentprocess are presented. A new design of the compact soft x-ray microscope, withimprovements in mechanical and thermal stability, providesuser-friendly and daily operation. This includes also a newnozzle design for the liquid-jet-target laser-plasma source,which enables higher source stability and operation withcryogenic liquids. In addition, a new experimental arrangementunder construction is briefly described. It will utilize acondenser zone plate and operate at the wavelength 2.478nm. Finally, performance test of the compact soft x-raymicroscope is presented and discussed. In addition, a projectto explore the use of soft x-ray microscopy for imaging sensorycells is described. The high-resolution imaging of these cellswas performed at the synchrotron-based soft x-ray microscope atLawrence Berkeley National Laboratory (LBNL).

This thesis describes the development of a sub-60-nm full-period resolution compact soft x-ray microscope operating in the water-window region (2.3-4.4 nm). Soft x-ray water-window microscopy is a powerful technique for high-resolution imaging of organic materials exploiting the natural contrast mechanism between carbon and oxygen, cf. Sect. 4.1. The thesis discusses the components of, as well as the integration of the microscope, including liquid-jet laser-plasma x-ray sources, optics, simulations, and image-processing tools. Liquid-jet-target laser-plasma sources for generation of soft x-rays and extreme-ultraviolet radiation are compact sources with high brightness. The work focused on improved target stability, decreased debris, and accurate source characterization. For x ray microscopy applications a liquid-jet target delivery system allowing cryogenic liquids was developed. Source characterization was performed for two different liquid-jet targets: Methanol and liquid nitrogen. For extreme-ultraviolet lithography applications, the potential use of a liquid-tin-jet laser-plasma source was explored including conversion efficiency and debris measurements. High quality optics are essential in the development of compact x-ray microscopes. For soft x-ray wavelengths, zone plates and multilayer mirrors are used to focus or redirect radiation. This thesis describes the development and characterization of a condenser zone plate suitable for use in a compact soft x-ray microscope operating at λ = 2.478 nm. It also investigates the possibility to perform differential interference contrast microscopy in the water window using a single diffractive optical element. An arrangement for rapid and accurate determination of absolute and local diffraction efficiency of soft x-ray zone plates using a compact laser-plasma source has been developed. The instrument is used to characterize the zone plates fabricated at the Biomedical & X-Ray Physics division at KTH. Through a collaboration with the Fraunhofer-Institut in Jena, Germany, a large diameter spherical Cr/Sc multilayer mirror, suitable as condenser in the compact x-ray microscope, was developed and characterized. The mirror is designed for λ = 3.374 nm and shows a high, and uniform reflectivity of 3%. This increases the photon flux by an order of magnitude compared to the W/B4C mirrors previously used. The thesis describes the development of a compact soft x-ray microscope with sub-60-nm full-period resolution. It can operate at two different wavelengths in the water window using the soft x-ray laser-plasma sources combined with the condenser optics described above. Imaging is performed by zone plate objectives. The microscope is capable of imaging hydrated biological samples with thicknesses up to ~10 μm. Improvements made to the mechanical design has turned it into a user friendly instrument allowing daily operation. A numerical method was developed to study the effects of partially coherent illumination on 2D imaging. To stimulate experiments on functional imaging in x-ray microscopy an image-analysis algorithm for identifying colloidal-gold particles was developed. Size selective identification and localization of single gold particles down to a diameter of 50 nm was demonstrated. / QC 20100819

The work described in this thesis is concerned with the experimental investigation of the acceleration of high energy proton pulses generated by relativistic laser-plasma interaction and their application. Using the high intensity 150 TW Ti:sapphire based ultra-short pulse laser Draco, a laser-driven proton source was set up and characterized. Conducting experiments on the basis of the established target normal sheath acceleration (TNSA) process, proton energies of up to 20 MeV were obtained. The reliable performance of the proton source was demonstrated in the first direct and dose controlled comparison of the radiobiological effectiveness of intense proton pulses with that of conventionally generated continuous proton beams for the irradiation of in vitro tumour cells. As potential application radiation therapy calls for proton energies exceeding 200 MeV. Therefore the scaling of the maximum proton energy with laser power was investigated and observed to be near-linear for the case of ultra-short laser pulses. This result is attributed to the efficient predominantly quasi-static acceleration in the short acceleration period close to the target rear surface. This assumption is furthermore confirmed by the observation of prominent non-target-normal emission of energetic protons reflecting an asymmetry in the field distribution of promptly accelerated electrons generated by using oblique laser incidence or angularly chirped laser pulses. Supported by numerical simulations, this novel diagnostic reveals the relevance of the initial prethermal phase of the acceleration process preceding the thermal plasma sheath expansion of TNSA. During the plasma expansion phase, the efficiency of the proton acceleration can be improved using so called reduced mass targets (RMT). By confining the lateral target size which avoids the dilution of the expanding sheath and thus increases the strength of the accelerating sheath fields a significant increase of the proton energy and the proton yield was observed.

<p>This thesis describes the development of soft x-rayreflective optics, instrumentation and applications for compactsoft x-ray microscopy. The microscope is based on a table-topliquid-jet-target laser-plasma source in combination with aspherical normal-incidence multilayer condenser mirror andnanofabricated diffractive optics for imaging. High-resolutionimaging is performed at the wavelength 3.374 nm in thewater-window (2.3 - 4.4 nm), where natural contrast betweencarbon and oxygen allows imaging of unstained biologicalmaterial in their natural aqueous environment.</p><p>The design and implementation of a compact soft x-rayreflectometer based on a laser-plasma source is described. Thereflectometer allows rapid and accurate characterization ofnormal-incidence multilayer coatings used at water-windowwavelengths. This instrument, which measures absolutereflectivity and multilayer period, is now used in thefabrication process, aiming to improve the soft x-raynormal-incidence multilayer condenser system of the compactsoft x-ray microscope. Latest results from the developmentprocess are presented.</p><p>A new design of the compact soft x-ray microscope, withimprovements in mechanical and thermal stability, providesuser-friendly and daily operation. This includes also a newnozzle design for the liquid-jet-target laser-plasma source,which enables higher source stability and operation withcryogenic liquids. In addition, a new experimental arrangementunder construction is briefly described. It will utilize acondenser zone plate and operate at the wavelength 2.478nm.</p><p>Finally, performance test of the compact soft x-raymicroscope is presented and discussed. In addition, a projectto explore the use of soft x-ray microscopy for imaging sensorycells is described. The high-resolution imaging of these cellswas performed at the synchrotron-based soft x-ray microscope atLawrence Berkeley National Laboratory (LBNL).</p>

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