Characterization of laser-driven neutron emissions
Caractérisation des émissions de neutrons produites par lasers
Résumé
Ultra-intense lasers represent a new way to produce neutron fields, more compact than nuclear reactors or accelerators and with fewer radiological constraints than these conventional sources. The electric field induced by an ultra-intense laser pulse within a micrometer-sized target can reach several TV/m, allowing for the acceleration of protons to several tens of MeV. These protons can then be intercepted by a second target, called a converter, in which they induce nuclear reactions and thus produce neutrons. This technique, known as the pitcher-catcher technique, is capable of generating very intense fluxes (> 10^17 n/cm²/s) at energies up to several tens of MeV, making it possible to envision applications such as neutron imaging or the laboratory reproduction of the rapid nucleosynthesis process responsible for the creation of the heaviest elements.To demonstrate the feasibility of these applications and ensure the radiological protection of these laser facilities, these neutron fields must be optimally characterized. Detectors with ultra-fast electronics or passive detectors appear to be most compatible to the characteristics of laser-driven neutron sources (very brief and intense emissions, noisy environment, etc.).This thesis work focuses on optimizing the development of a neutron activation spectrometer (SPAC), particularly suitable for measuring intense neutron fields with a strong gamma component. In addition to simulations of the expected source terms and detector responses using Geant4 & MCNP Monte Carlo codes, bubble dosimeters, Time-of-Flight detectors and activation samples were used on various laser facilities such as ALLS (Canada) and Apollon (France), to optimize and characterize the produced neutron emissions.
Les lasers ultra-intenses représentent un nouveau moyen de produire des champs neutroniques, plus compact que les réacteurs nucléaires ou les accélérateurs et avec moins de contraintes radiologiques que ces sources conventionnelles. Le champ électrique créé par une impulsion laser ultra-intense au sein d'une cible de taille micrométrique peut atteindre plusieurs TV/m, permettant l’accélération de protons de plusieurs dizaines de MeV. Ces protons peuvent ensuite être interceptés par une seconde cible, appelée convertisseur, dans laquelle ils induisent des réactions nucléaires et donc la production de neutrons. Cette technique, dite du pitcher-catcher, est ainsi capable de générer des flux très intenses (> 10^17 n/cm²/s) à des énergies allant jusqu’à quelques dizaines de MeV, permettant alors d’envisager de faire de l’imagerie neutronique ou de reproduire en laboratoire le processus rapide de nucléosynthèse responsable de la création des éléments les plus lourds.Pour prouver la faisabilité de ces applications et afin d’assurer la radioprotection de ces installations lasers, il est donc nécessaire de caractériser ces champs neutroniques. Les détecteurs passifs, ou possédant une électronique ultra-rapide, semblent être des candidats de choix pour s’adapter aux caractéristiques des sources de neutrons produits par laser (émissions très brèves et intenses, environnement bruité, …).Ce travail de thèse s'articule donc autour de la poursuite du développement d’un spectromètre neutron par activation (SPAC), particulièrement adapté pour mesurer des champs neutroniques intenses avec une forte composante gamma. En complément d’un travail de simulation des termes sources attendues et de la réponse des détecteurs via l’utilisation des codes Monte-Carlo Geant4 & MCNP, des dosimètres à bulles, un dispositif Temps de Vol ainsi que des échantillons d’activation ont été utilisés sur diverses installations laser telles que ALLS (Canada) et Apollon (France), afin d’optimiser et de caractériser les émissions neutroniques générées.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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