Characterization of Li-7(p,n)Be-7 neutron yields from laser produced ion beams for fast neutron radiography

Investigations of Li-7(p,n)Be-7 reactions using Cu and CH primary and LiF secondary targets were performed using the VULCAN laser [C.N. Danson , J. Mod. Opt. 45, 1653 (1997)] with intensities up to 3x10(19) W cm(-2). The neutron yield was measured using CR-39 plastic track detector and the yield was up to 3x10(8) sr(-1) for CH primary targets and up to 2x10(8) sr(-1) for Cu primary targets. The angular distribution of neutrons was measured at various angles and revealed a relatively anisotropic neutron distribution over 180degrees that was greater than the error of measurement. It may be possible to exploit such reactions on high repetition, table-top lasers for neutron radiography. (C) 2004 American Institute of Physics.

Bright Laser-Driven Neutron Source Based on the Relativistic Transparency of Solids

Neutrons are unique particles to probe samples in many ?elds of research ranging from biology to material sciences to engineering and security applications. Access to bright, pulsed sources is currently
limited to large accelerator facilities and there has been a growing need for compact sources over the recent years. Short pulse laser driven neutron sources could be a compact and relatively cheap way to
produce neutrons with energies in excess of 10 MeV. For more than a decade experiments have tried to obtain neutron numbers suf?cient for applications. Our recent experiments demonstrated an ion acceleration mechanism based on the concept of relativistic transparency. Using this new mechanism, we produced an intense beam of high energy (up to 170 MeV) deuterons directed into a Be converter to
produce a forward peaked neutron ?ux with a record yield, on the order of 1010 n=sr. We present results comparing the two acceleration mechanisms and the ?rst short pulse laser generated neutron radiograph.

Measurements of high-energy radiation generation from laser-wakefield accelerated electron beams

Using high-energy (∼0.5 GeV) electron beams generated by laser wakefield acceleration (LWFA), bremsstrahlung radiation was created by interacting these beams with various solid targets. Secondary processes generate high-energy electrons, positrons, and neutrons, which can be measured shot-to-shot using magnetic spectrometers, short half-life activation, and Compton scattering. Presented here are proof-of-principle results from a high-resolution, high-energy gamma-ray spectrometer capable of single-shot operation, and high repetition rate activation diagnostics. We describe the techniques used in these measurements and their potential applications in diagnosing LWFA electron beams and measuring high-energy radiation from laser-plasma interactions.

Laser-driven x-ray and neutron source development for industrial applications of plasma accelerators

Pulsed beams of energetic x-rays and neutrons from intense laser interactions with solid foils are promising for applications where bright, small emission area sources, capable of multi-modal delivery are ideal. Possible end users of laser-driven multi-modal sources are those requiring advanced non-destructive inspection techniques in industry sectors of high value commerce such as aerospace, nuclear and advanced manufacturing. We report on experimental work that demonstrates multi-modal operation of high power laser-solid interactions for neutron and x-ray beam generation. Measurements and Monte Carlo radiation transport simulations show that neutron yield is increased by a factor ∼2 when a 1 mm copper foil is placed behind a 2 mm lithium foil, compared to using a 2 cm block of lithium only. We explore x-ray generation with a 10 picosecond drive pulse in order to tailor the spectral content for radiography with medium density alloy metals. The impact of using >1 ps pulse duration on laser-accelerated electron beam generation and transport is discussed alongside the optimisation of subsequent bremsstrahlung emission in thin, high atomic number target foils. X-ray spectra are deconvolved from spectrometer measurements and simulation data generated using the GEANT4 Monte Carlo code. We also demonstrate the unique capability of laser-driven x-rays in being able to deliver single pulse high spatial resolution projection imaging of thick metallic objects. Active detector radiographic imaging of industrially relevant sample objects with a 10 ps drive pulse is presented for the first time, demonstrating that features of 200 μm size are resolved when projected at high magnification.

Beamed neutron emission driven by laser accelerated light ions

Highly anisotropic, beam-like neutron emission with peak flux of the order of 10^9 n/sr was obtained from light nuclei reactions in a pitcher–catcher scenario, by employing MeV ions driven by subpetawatt laser. The spatial profile of the neutron beam, fully captured for the first time by employing a CR39 nuclear track detector, shows a FWHMdivergence angle of ~70 deg, with a peak flux nearly an order of magnitude higher than the isotropic component elsewhere. The observed beamed flux of neutrons is highly favourable for a wide range of applications, and indeed for further transport and moderation to thermal energies. A systematic study employing various combinations of pitcher–catcher materials indicates the dominant reactions being d(p, n+p)1Hand d(d,n)3He. Albeit insufficient cross-section data are available for modelling, the observed anisotropy in the neutrons’ spatial and spectral profiles are most likely related to the directionality and high energy of the projectile ions.

Laser Driven Nuclear Physics at ELI–NP

High power lasers have proven being capable to produce high energy γ-rays, charged particles and neutrons, and to induce all kinds of nuclear reactions. At ELI, the studies with high power lasers will enter for the first time into new domains of power and intensities: 10 PW and 10^23 W/cm^2. While the development of laser based radiation sources is the main focus at the ELI-Beamlines pillar of ELI, at ELI-NP the studies that will benefit from High Power Laser System pulses will focus on Laser Driven Nuclear Physics (this TDR, acronym LDNP, associated to the E1 experimental area), High Field Physics and QED (associated to the E6 area) and fundamental research opened by the unique combination of the two 10 PW laser pulses with a gamma beam provided by the Gamma Beam System (associated to E7 area). The scientific case of the LDNP TDR encompasses studies of laser induced nuclear reactions, aiming for a better understanding of nuclear properties, of nuclear reaction rates in laser-plasmas, as well as on the development of radiation source characterization methods based on nuclear techniques. As an example of proposed studies: the promise of achieving solid-state density bunches of (very) heavy ions accelerated to about 10 MeV/nucleon through the RPA mechanism will be exploited to produce highly astrophysical relevant neutron rich nuclei around the N~126 waiting point, using the sequential fission-fusion scheme, complementary to any other existing or planned method of producing radioactive nuclei.

The studies will be implemented predominantly in the E1 area of ELI-NP. However, many of them can be, in a first stage, performed in the E5 and/or E4 areas, where higher repetition laser pulses are available, while the harsh X-ray and electromagnetic pulse (EMP) environments are less damaging compared to E1.

A number of options are discussed through the document, having an important impact on the budget and needed resources. Depending on the TDR review and subsequent project decisions, they may be taken into account for space reservation, while their detailed design and implementation will be postponed.

The present TDR is the result of contributions from several institutions engaged in nuclear physics and high power laser research. A significant part of the proposed equipment can be designed, and afterwards can be built, only in close collaboration with (or subcontracting to) some of these institutions. A Memorandum of Understanding (MOU) is currently under preparation with each of these key partners as well as with others that are interested to participate in the design or in the future experimental program.

Theoretical and Experimental Foundations for the Greystar Project. Or application of NAA for remote detection

Dans un monde de détection et prospection minière, une multitude de techniques existent. Une des techniques les plus puissantes est l’activation par neutrons (NAA et PGAA). Toutefois, dans le cadre de la prospection minière, l’utilisation de cette technique nécessite du forage. La motivation du projet GREYSTAR est de permettre l’analyse élémentaire par activation en limitant l’impact environnemental. Les facteurs limitant sont l’activation d’un volume distant et la détection de la radiation émise par ce volume. Ce mémoire examine l’activation par neutrons thermiques et la détection de gammas provenant de la désexcitation des noyaux activés. Une approche expérimentale est présentée avec des simulations pour venir appuyer les données expérimentales. Il en résulte que le projet GREYSTAR tel que décrit dans ce mémoire est prometteur et que davantage de recherche est à prescrire. Les résultats initiaux indiquent que selon le prototype proposé, les limites de détections sont de l’ordre de 2-3 m dans un matériel semblable au granite. On conclut que d’un point de vue de prospection minière, il est intéressant de poursuivre la recherche. De plus, plusieurs autres applications dans les domaines militaire, civil et policier sont prometteuses.

Effet de la symétrie sur la supraconductivité de LaRhSi3 et la frustration magnétique du SrRE2O4 (RE = Dy ou Ho)

Dans la première partie, nous présentons les résultats de l'étude du supraconducteur sans inversion de symétrie LaRhSi3 par spectroscopie muonique. En champ nul, nous n'avons pas détecté de champ interne. Ceci indique que la fonction d'onde de l'état supraconducteur n'est pas dominée par l'état triplet. Les mesures en champ transverse de 35G présentent une transition en accord avec la transition de phase attendue sous le champ critique Hc1. Nous avons répété ces mesures pour un champ entre Hc1 et Hc2, 150G. Le spectre obtenu pour ces mesures conserve l'asymétrie et relaxe rapidement à basse température tel que prédit pour un supraconducteur dans la phase d'Abrikosov. Néanmoins, les relaxations produites par ce balayage en température présentent une transition à près de 2 fois la température critique attendue. Dans la deuxième partie de ce mémoire, nous donnons l'interprétation des résultats de la diffraction neutronique inélastique par l'étude des champs électriques cristallins. Ces mesures ont été effectuées sur des aimants frustrés SrHo2O4 et SrDy2O4 sous la forme de poudre. L'étude des niveaux produits par les champs cristallins par la méthode des opérateurs de Stevens indique une perte du moment cinétique dans les deux matériaux. Pour le SrDy2O4, l'état fondamental serait constitué de quatre états dégénérés quasi accidentellement qui portent un moment magnétique total non-nul. Toute fois, nos mesures de susceptibilité magnétique ne montrent aucun ordre au-dessus de 50mK. Pour le SrHo2O4, le fondamental est formé d'une paire accidentelle. Nous obtenons un moment magnétique de 6.94(8)$\mu_B$ ce qui s'accorde avec les données expérimentales.

Étude des collisions proton-proton dans l’expérience ATLAS avec les détecteurs ATLAS-MPX

Les seize détecteurs MPX constituant le réseau ATLAS-MPX ont été placés à différentes positions dans le détecteur ATLAS et sa averne au CERN dans le but de mesurer en emps réel les champs de radiation produits ar des particules primaires (protons des faisceaux) et des particules secondaires (kaons, pions, g, protons) issues des collisions proton-proton. Des films de polyéthylène (PE) et de fluorure de lithium (6LiF) recouvrent les détecteurs afin d’augmenter leur sensibilité aux neutrons produits par les particules primaires et secondaires interagissant avec les matériaux présents dans l’environnement d’ATLAS. La reconnaissance des traces laissées par les particules dans un détecteur ATLAS-MPX se fait à partir des algorithmes du logiciel MAFalda (“Medipix Analysis Framework”) basé sur les librairies et le logiciel d’analyse de données ROOT. Une étude sur le taux d’identifications erronées et le chevauchement d’amas a été faite en reconstruisant les activités des sources 106Ru et 137Cs. L’efficacité de détection des neutrons rapides a été mesurée à l’aide des sources 252Cf et 241AmBe (neutrons d’énergie moyenne de 2.13 et 4.08 MeV respectivement). La moyenne des efficacités de détection mesurées pour les neutrons produits par les sources 252C f et 241AmBe a été calculée pour les convertisseurs 6LiF et PE et donnent (0.8580 ± 0.1490)% et (0.0254 ± 0.0031)% pour LiF et (0.0510 ± 0.0061)% et (0.0591 ± 0.0063)% pour PE à bas et à haut seuil d’énergie respectivement. Une simulation du calcul de l’efficacité de détection des neutrons dans le détecteur MPX a été réalisée avec le logiciel GEANT4. Des données MPX correspondant aux collisions proton-proton à 2.4 TeV et à 7 TeV dans le centre de masse ont été analysées. Les flux détectés d’électrons et de photons sont particulièrement élevés dans les détecteurs MPX01 et MPX14 car ils sont plus près du point de collision. Des flux de neutrons ont été estimés en utilisant les efficacités de détection mesurées. Une corrélation avec la luminosité du LHC a été établie et on prédit que pour les collisions à 14 TeV dans le centre de masse et avec une luminosité de 10^34 cm-1*s-1 il y aura environ 5.1x10^8 ± 1.5x10^7 et 1.6x10^9 ± 6.3x10^7 particules détectées par les détecteurs MPX01 et MPX14 respectivement.

Fabrication et caractérisation de détecteurs à gouttelettes en surchauffe à bas bruit de fond au sein du projet PICASSO

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Mesure des champs de radiation dans le détecteur ATLAS et sa caverne avec les détecteurs au silicium à pixels ATLAS-MPX

Les collisions proton-proton produites par le LHC imposent un environnement radiatif hostile au détecteur ATLAS. Afin de quantifier les effets de cet environnement sur la performance du détecteur et la sécurité du personnel, plusieurs simulations Monte Carlo ont été réalisées. Toutefois, la mesure directe est indispensable pour suivre les taux de radiation dans ATLAS et aussi pour vérifier les prédictions des simulations. À cette fin, seize détecteurs ATLAS-MPX ont été installés à différents endroits dans les zones expérimentale et technique d'ATLAS. Ils sont composés d'un détecteur au silicium à pixels appelé MPX dont la surface active est partiellement recouverte de convertisseurs de neutrons thermiques, lents et rapides. Les détecteurs ATLAS-MPX mesurent en temps réel les champs de radiation en enregistrant les traces des particules détectées sous forme d'images matricielles. L'analyse des images acquises permet d'identifier les types des particules détectées à partir des formes de leurs traces. Dans ce but, un logiciel de reconnaissance de formes appelé MAFalda a été conçu. Étant donné que les traces des particules fortement ionisantes sont influencées par le partage de charge entre pixels adjacents, un modèle semi-empirique décrivant cet effet a été développé. Grâce à ce modèle, l'énergie des particules fortement ionisantes peut être estimée à partir de la taille de leurs traces. Les convertisseurs de neutrons qui couvrent chaque détecteur ATLAS-MPX forment six régions différentes. L'efficacité de chaque région à détecter les neutrons thermiques, lents et rapides a été déterminée par des mesures d'étalonnage avec des sources connues. L'étude de la réponse des détecteurs ATLAS-MPX à la radiation produite par les collisions frontales de protons à 7TeV dans le centre de masse a montré que le nombre de traces enregistrées est proportionnel à la luminosité du LHC. Ce résultat permet d'utiliser les détecteurs ATLAS-MPX comme moniteurs de luminosité. La méthode proposée pour mesurer et étalonner la luminosité absolue avec ces détecteurs est celle de van der Meer qui est basée sur les paramètres des faisceaux du LHC. Vu la corrélation entre la réponse des détecteurs ATLAS-MPX et la luminosité, les taux de radiation mesurés sont exprimés en termes de fluences de différents types de particules par unité de luminosité intégrée. Un écart significatif a été obtenu en comparant ces fluences avec celles prédites par GCALOR qui est l'une des simulations Monte Carlo du détecteur ATLAS. Par ailleurs, les mesures effectuées après l'arrêt des collisions proton-proton ont montré que les détecteurs ATLAS-MPX permettent d'observer la désintégration des isotopes radioactifs générés au cours des collisions. L'activation résiduelle des matériaux d'ATLAS peut être mesurée avec ces détecteurs grâce à un étalonnage en équivalent de dose ambiant.

Étude du champ magnétique interne de deux matériaux magnétiques et d'un supraconducteur sans symétrie d'inversion.

Cette thèse est divisée en trois parties. Une première section présente les résultats de l'étude de la formation de polarons magnétiques liés (BMP) dans le ferroaimant EuB6 par diffusion de neutrons à petits angles (SANS). La nature magnétique du système ferromagnétique est observée sous une température critique de 15K. La signature des BMP n'apparaît pas dans la diffusion de neutrons, mais ces mesures permettent de confirmer une limite inférieure de 100\AA à la longueur de cohérence des BMP (xi_{Lower}). Dans un second temps, l'étude du LaRhSi3, un supraconducteur sans symétrie d'inversion, par muSR et ZF-muSR nous permet de sonder le comportement magnétique du système dans la phase supraconductrice. Aucun champ magnétique interne n'a été détecté en ZF-muSR sous la température critique (T_c = 2.2K). Cela indique que la phase supraconductrice ne porte pas de moment cinétique intrinsèque. L'analyse du spectre d'asymétrie sous l'application d'un champ magnétique externe nous apprend que le système est faiblement type II par l'apparition de la signature de domaines magnétiques typique d'un réseau de vortex entre H_{c1}(0) et H_{c2}(0), respectivement de 80+/- 5 et 169.0 +/- 0.5 G. Finalement, la troisième section porte sur l'étude du champ magnétique interne dans l'antiferroaimant organique NIT-2Py. L'observation d'une dépendance en température des champs magnétiques internes aux sites d'implantation muonique par ZF-muSR confirme la présence d'une interaction à longue portée entre les moments cinétiques moléculaires. Ces valeurs de champs internes, comparées aux calculs basés sur la densité de spins obtenue par calculs de la théorie de la fonctionnelle de la densité, indiquent que la moitié des molécules se dimérisent et ne contribuent pas à l'ordre antiferromagnétique. La fraction des molécules contribuant à l'ordre antiferromagnétique sous la température critique (T_c = 1.33 +/- 0.01K) forme des chaines uniformément polarisées selon l'axe (1 0 -2). Ces chaines interagissent antiferromagnétiquement entre elles le long de l'axe (0 1 0) et ferromagnétiquement entre les plan [-1 0 2].

Analyse et modélisation de la réponse des détecteurs du projet PICASSO pour la recherche de la matière sombre

Les mesures cosmologiques les plus récentes ont montré la présence d’un type de matière exotique constituant 85% de la masse de l’univers. Ce type de matière non baryonique serait formé de particules neutres, non relativistes, massives et interagissant faiblement avec la matière baryonique. L’ensemble des candidats est regroupé sous le nom générique WIMP (Weakly Interactive Massive Particles). L’expérience PICASSO (Projet d’Identification des CAndidats Supersymétriques de la matière SOmbre) est une expérience utilisant des détecteurs à seuil d’énergie contenant des gouttelettes surchauffées constituées de C4F10. Cette technique de détection est basée sur le principe de la chambre à bulles. Le projet PICASSO a pour but de détecter directement une particule de matière sombre. Le principe de détection est qu’une particule de matière sombre interagissant avec le liquide actif engendre un recul nucléaire du 19F. L’énergie de recul serait suffisante pour engendrer une transition de phase accompagnée d’un signal acoustique enregistrée par des senseurs piézoélectriques. Dans le cadre de ce mémoire, une simulation du taux de comptage de l’étalonnage des détecteurs PICASSO soumis à des neutrons monoénergétiques a été effectuée en utilisant la théorie de Seitz qui décrit les critères pour qu’une transition de phase ait lieu pour un liquide en état de surchauffe. De plus, un modèle calculant le signal acoustique émis lors d’une transition de phase engendré par différents types de radiations a été créé permettant de caractériser la discrimination entre différents bruits de fond en fonction de l’énergie de seuil. Finalement, un outil d’analyse, la localisation des évènements, a été utilisé pour appliquer des coupures sur le volume dans le but d’améliorer la discrimination alpha-neutron.

Topological order in a broken-symmetry state

À travers cette thèse, nous revisitons les différentes étapes qui ont conduit à la découverte des isolants topologiques, suite à quoi nous nous penchons sur la question à savoir si une phase topologiquement non-triviale peut coexister avec un état de symétrie brisée. Nous abordons les concepts les plus importants dans la description de ce nouvel état de la matière, et tentons de comprendre les conséquences fascinantes qui en découlent. Il s’agit d’un champ de recherche fortement alimenté par la théorie, ainsi, l’étude du cadre théorique est nécessaire pour atteindre une compréhension profonde du sujet. Le chapitre 1 comprend un retour sur l’effet de Hall quantique, afin de motiver les sections subséquentes. Le chapitre 2 présente la première réalisation d’un isolant topologique à deux dimensions dans un puits quantique de HgTe/CdTe, suite à quoi ces résultats sont généralisés à trois dimensions. Nous verrons ensuite comment incorporer des principes de topologie dans la caractérisation d’un système spécifique, à l’aide d’invariants topologiques. Le chapitre 3 introduit le premier dérivé de l’état isolant topologique, soit l’isolant topologique antiferromagnétique (ITAF). Après avoir motivé théoriquement le sujet et introduit un invariant propre à ce nouvel état ITAF, qui est couplé à l’ordre de Néel, nous explorons, dans les chapitres 4 et 5, deux candidats de choix pour la phase ITAF : GdBiPt et NdBiPt.

Mesures et analyses de la luminosité d’ATLAS grâce aux détecteurs MPX

Medipix2 (MPX) sont des détecteurs semi-conducteurs au silicium montés sur 256x256 pixels. Chaque pixel a une aire de 55x55μm2. L’aire active d’un détecteur MPX est d’environ 2 cm2. Avec deux modes de détection, un seuil et un temps d’exposition ajustables, leur utilisation peut être optimisée pour une analyse spécifique. Seize de ces détecteurs sont présentement installés dans l’expérience ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) au CERN (Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire). Ils mesurent en temps réel le champ de radiation dû aux collisions proton-proton, au point d’interaction IP1 (Point d’Interaction 1) du LHC (Grand Collisionneur d’Hadrons). Ces mesures ont divers buts comme par exemple la mesure du champ de neutrons dans la caverne d’ATLAS. Le réseau de détecteurs MPX est complètement indépendant du détecteur ATLAS. Le groupe ATLAS-Montréal s’est intéressé à l’analyse des données récoltées par ces détecteurs pour calculer une valeur de la luminosité du LHC au point de collision des faisceaux, autour duquel est construit le détecteur ATLAS. Cette valeur est déterminée indépendamment de la luminosité mesurée par les divers sous-détecteurs d’ATLAS dédiés spécifiquement à la mesure de la luminosité. Avec l’augmentation de la luminosité du LHC les détecteurs MPX les plus proches du point d’interaction détectent un grand nombre de particules dont les traces sont impossibles à distinguer sur les images ("frames") obtenues, à cause de leur recouvrement. Les paramètres de mesure de certains de ces détecteurs ont été optimisés pour des mesures de luminosité. Une méthode d’analyse des données permet de filtrer les pixels bruyants et de convertir les données des images, qui correspondent à des temps d’exposition propres aux détecteurs MPX, en valeur de luminosité pour chaque LumiBlock. Un LumiBlock est un intervalle de temps de mesure propre au détecteur ATLAS. On a validé les mesures de luminosité premièrement en comparant les résultats obtenus par différents détecteurs MPX, et ensuite en comparant les valeurs de luminosité relevées à celles obtenues par les sous-détecteurs d’ATLAS dédiés spécifiquement à la mesure de la luminosité.