Accélération laser-plasma à ultra haute intensité - modélisation numérique

par Emilian-Dragos Tatomirescu

Thèse de doctorat en Astrophysique, Plasmas, nucléaire

Sous la direction de Emmanuel d' Humières et de Daniel Vizman.

Soutenue le 28-01-2019

à Bordeaux en cotutelle avec l'Universitatea de Vest din Timişoara , dans le cadre de École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde) , en partenariat avec Interaction, Fusion par Confinement Inertiel, Astrophysique (équipe de recherche) et de Centre Lasers Intenses et Applications (Bordeaux) (laboratoire) .

Le président du jury était Madalin Bunoiu.

Les rapporteurs étaient Julien Fuchs, Daniel Ursescu.


  • Résumé

    Avec les dernières augmentations de l'intensité maximale de laser réalisable grâce à de courtes impulsions à haute puissance (gamme femtoseconde) un intérêt a surgi dans les sources de plasma laser potentiels. Les lasers sont utilisés en radiographie proton, allumage rapide, hadronthérapie, la production de radioisotopes et de laboratoire astrophysique. Au cours de l'interaction laser-cible, les ions sont accélérés par des processus physiques différents, en fonction de la zone de la cible. Tous ces mécanismes ont un point commun: les ions sont accélérés par des champs électriques intenses, qui se produisent en raison de la séparation de forte charge induite par l'interaction de l'impulsion laser avec la cible, directement ou indirectement. Deux principales sources distinctes pour le déplacement de charge peuvent être mis en évidence. Le premier est le gradient de charge provoquée par l'action directe de la force ponderomotive de laser sur les électrons dans la surface avant de la cible, qui est la prémisse pour le processus d'accélération des radiations de pression (RPA). Une deuxième source peut être identifiée comme provenant du rayonnement laser qui est transformée en énergie cinétique d'une population d'électrons relativistes chaud (~ quelques MeV). Les électrons chauds se déplacent et font recirculer à travers la cible et forment un nuage d'électrons relativistes à la sortie de la cible dans le vide. Ce nuage, qui se prolonge pour plusieurs longueurs de Debye, crée un champ électrique extrêmement intense longitudinal, la plupart du temps dirigé le long de la surface normale, ce qui, par conséquent, est la cause de l'accélération d'ions efficace, qui conduit à l'accélération cible normale gaine (TNSA) processus . Le mécanisme TNSA permet d'utiliser des géométries différentes cibles afin de parvenir à une meilleure focalisation des faisceaux de particules de l'ordre de plusieurs dizaines de microns, avec des densités d'énergie élevées. Les électrons chauds sont produits par l'irradiation d'une feuille solide avec une impulsion laser intense; ces électrons sont transportés à travers la cible, la formation d'un champ électrostatique fort, normal à la surface cible. Protons et les ions chargés positivement de la surface arrière de la cible sont accélérés par ce domaine jusqu'à ce que la charge de l'électron est compensée. La densité d'électrons chauds et la température dans le vide arrière dépendent des propriétés géométriques et de composition cibles tels que la courbure de la cible, les structures de mise au point d'impulsion et de microstructure pour l'accélération de protons améliorée. Au cours de ma première année, j'ai étudié les effets de la géométrie de la cible sur le proton et l'ion énergie et la distribution angulaire afin d'optimiser les faisceaux de particules laser accéléré au moyen de deux dimensions (2D) particule-in-cell (PIC) simulations de l'interaction de l'ultra-court impulsions laser avec plusieurs cibles microstructurées. Également au cours de cette année, je l'ai étudié la théorie derrière les modèles utilisés.

  • Titre traduit

    Laser-plasma acceleration at ultra high intensity - numerical modeling


  • Résumé

    With the latest increases in maximum laser intensity achievable through short pulses at high power (femtosecond range) an interest has arisen in potential laser plasma sources. Lasers are used in proton radiography, rapid ignition, hadrontherapy, production of radioisotopes and astrophysical laboratory. During the laser-target interaction, the ions are accelerated by different physical processes, depending on the area of ​​the target. All these mechanisms have one thing in common: the ions are accelerated by intense electric fields, which occur due to the separation of high charge induced by the interaction of the laser pulse with the target, directly or indirectly. Two main distinct sources for charge displacement can be identified. The first is the charge gradient caused by the direct action of the laser ponderomotive force on the electrons in the front surface of the target, which is the premise for the pressure ramping acceleration (RPA) process. A second source can be identified as coming from the laser radiation which is transformed into kinetic energy of a hot relativistic electron population (~ a few MeV). The hot electrons move and recirculate through the target and form a cloud of relativistic electrons at the exit of the target in a vacuum. This cloud, which extends for several lengths of Debye, creates an extremely intense longitudinal electric field, mostly directed along the normal surface, which is therefore the cause of effective ion acceleration, which leads to the normal target sheath acceleration (TNSA) process. The TNSA mechanism makes it possible to use different target geometries in order to obtain a better focusing of the beams of particles on the order of several tens of microns, with high energy densities. Hot electrons are produced by irradiating a solid sheet with an intense laser pulse; these electrons are transported through the target, forming a strong electrostatic field, normal to the target surface. Protons and positively charged ions from the back surface of the target are accelerated by this domain until the charge of the electron is compensated. The density of hot electrons and the temperature in the back vacuum depend on the target geometric and compositional properties such as target curvature, pulse and microstructure tuning structures for enhanced proton acceleration. In my first year I studied the effects of target geometry on the proton and energy ion and angular distribution in order to optimize the accelerated laser particle beams by means of two-dimensional (2D) particle -in-cell (PIC) simulations of the interaction of ultra-short laser pulses with several microstructured targets. Also during this year, I studied the theory behind the models used.


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