Développement d'une lentille de Laue pour l'astrophysique nucléaire - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2011

Laue lens development for nuclear astrophysics

Développement d'une lentille de Laue pour l'astrophysique nucléaire

Résumé

Gamma-ray astronomy addresses a wide range of fundamental astrophysical questions such as the life cycles of matter and the behavior of matter under extreme conditions. Whereas Gamma-rays present an extraordinary scientific potential for the study of the most powerful sources and the most violent events in the Universe, their observation has been held back by an intricate compound of experimental difficulties. Due to the atmospheric absorption of gamma-rays, instruments have to be carried above the atmosphere where they are exposed to Cosmic Rays. The bombardment of the instrument and spacecraft by Cosmic Ray particles generates high background rate in the detectors, limiting severely the sensitivity of gamma-ray telescopes. Despite these difficulties, Nuclear Astrophysics has made considerable progress in the last twenty years thanks to the instruments on the CGRO and INTEGRAL Observatories, i.e. instruments that are based on inelastic interaction processes, using either geometrical optics (e.g. coded masks) or quantum optics (e.g. Compton telescopes). Today, physical limits to the size of these instruments seem to be attained: pushing the performance further leads to several apparently unsolvable problems, ultimately owing to the belief that it is "impossible to reflect or refract gamma-rays". In this work, a new type of gamma-ray telescope is presented. It features a crystal diffraction lens that concentrates photons from a large photon collecting area onto a small detector. In such a Laue lens, a large number of crystals are disposed on concentric rings; each crystal can be considered as a little mirror which deviates gamma-rays through Bragg diffraction from the incident beam onto a common focal spot. The principle of the Laue lens for astrophysics was demonstrated with the balloon mission CLAIRE. The objective of this work was to develop the Laue Lens concept into a sensitive, space qualified optics for a future satellite mission. My contribution consisted of two main facets: a) finding appropriate crystal materials and improving the performance of the diffracting crystals, and b) develop a prototype segment for a space qualified lens. Exploring new diffracting media and improving the performance of individual crystals implied the development of numerical simulations of the diffraction process for various types of mosaic and CDP (Curved Diffraction Plane) crystals. These simulations were used to select suitable crystals to be grown and to be tested. Two different X- gamma ray facilities were used to probe the crystalline quality of our candidate materials: The European Synchrotron Radiation Facility (ESRF, France) and the high neutron flux reactor at ILL (France). During 10 beam-runs (and a total of 3 months of measurement), a large number of samples were tested, including Ag, Ir, Pt, Au, Pb, Rh, AsGa, SiGe, and Cu crystals. Outstanding performances were established for gold and silver crystals (> 500 keV), Cu and Ge (300-500 keV) crystals and SiGe CDP (<300 keV) crystal. The second facet of this work consisted of designing, manufacturing and characterization a prototype lens segment. This R\&D program was completed in collaboration with the CNES and Thales Alenia Space. For a representative sample of metal and semiconductor crystals that were mounted on the prototype, we have been able to maintain the required precision through the various steps of alignment, mounting and space qualification testing i.e. characterizing the crystal plane orientation, machining the lens support, cementing the crystals on the support, vibration tests, and thermal cycling. In conclusion, we have shown that a sensitive Laue lens is achievable with the presently available diffraction crystals, and have demonstrated and qualified a prototype lens segment.
L'astrophysique gamma nucléaire, situé à l'extrémité du spectre électromagnétique, est un domaine très riche scientifiquement. Il contient l'information capable, entre autres, de révéler la nucléosynthèse des éléments lourds au sein des supernovae ou l'origine de l'antimatière dans la galaxie. Ce domaine est longtemps resté inaccessible jusqu'aux années 60 à cause de l'absorption de l'atmosphère dans cette gamme d'énergies. Les observations sont ensuite restées handicapées par le rayonnement cosmique, qui noie le faible signal des sources sous un intense bruit de fond. De plus, l'énergie des photons gamma rend inefficaces les techniques classiques de focalisation, rendant plus complexe le développement des instruments d'observation. Malgré toutes ces difficultés, des observatoires comme CGRO et INTEGRAL ont réussi à révolutionner l'astrophysique nucléaire, grâce à l'utilisation de télescope Compton et de masques codés. Toutefois, ces techniques semblent aujourd'hui atteindre leurs limites, où des instruments plus grands ne sont pas forcément plus performants. Depuis une quinzaine d'années, une technique innovante est développée au CESR, capable d'améliorer la sensibilité de détection par un facteur 10-100, par rapport aux instruments existants. Cette technique nommée lentille de Laue, et dont le principe a été démontré par la mission ballon CLAIRE, est capable de concentrer les rayonnements gamma nucléaires à l'aide de la diffraction de Bragg, au sein de cristaux répartis en anneaux concentriques. Mon travail a consisté à poursuivre le développement de la lentille de Laue en améliorant et en validant les briques technologiques nécessaire pour qu'elle soit utilisée sur un observatoire spatial. La première partie de mon travail de thèse a consisté à améliorer les performances des cristaux diffractant, qui constituent le cœur de la lentille. Ces améliorations ont nécessité de modéliser et comparer les capacités de diffraction d'un grand nombre de cristaux, puis de confirmer les performances des meilleurs candidats au cours de session de mesures sur des faisceaux X-gamma. Ces mesures ont été effectuées au synchrotron européen de Grenoble (ESRF) et au réacteur nucléaire scientifique de l'ILL. Elles ont permis, entre autres, de mettre en avant les excellentes performances des cristaux d'or et d'argent. La seconde partie de mon travail a consisté à concevoir, réaliser et tester un prototype de segment de lentille spatialisable, en collaboration avec le CNES et Thales Alenia Space. Ce prototype a permis de valider les procédés de fixation et d'orientation des cristaux et de s'assurer qu'il résiste aux tests de vibrations et de cyclage thermique.
Fichier principal
Vignette du fichier
MainThese.pdf (6.01 Mo) Télécharger le fichier
Loading...

Dates et versions

tel-00579538 , version 1 (24-03-2011)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00579538 , version 1

Citer

Julien Rousselle. Développement d'une lentille de Laue pour l'astrophysique nucléaire. Planète et Univers [physics]. Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2011. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00579538⟩
268 Consultations
264 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More