Le chauffage stochastique dans l'interaction laser-plasma à très haut flux

par David Patin

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Alain Bourdier.

Soutenue en 2006

à Paris 11 , en partenariat avec Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne) (autre partenaire) .

mots clés

• Dynamique hamiltonienne
• Simulations PIC
• Accélération de protons
• Fusion par confinement intertiel

Résumé

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'étude de l'interaction laser plasma à très haut flux. L'objectif a été de rendre compte d'un phénomène bien précis : le chauffage stochastique. Ce phénomène trouve son origine dans la nature chaotique du comportement des électrons du plasma. Afin de construire un modèle théorique simple nous avons fait deux hypothèses : (i) des plasmas très peu denses, (ii) des intensités lasers très élevées. La deuxième hypothèse se traduit par un a>1 (où a=e*E0/m*c*omega0 avec -e la charge de l'électron, E0 le champ électrique du laser, m la masse de l'électron, c la vitesse de la lumière dans le vide et omega0 la pulsation de l'onde laser), ce qui entraîne la nécessité d'utiliser une approche relativiste du système. Avec ces deux hypothèses, notre système se compose d'un électron interagissant avec un ou plusieurs lasers et le modèle théorique pour décrire celui ci fait appel aux outils de la dynamique hamiltonienne. L'étude approfondie du modèle théorique a permis, via le critère de Chirikov, de dégager un ensemble de paramètres pour lequel le chaos est étendu. Ce chaos étendu est à la base du chauffage stochastique. Ensuite des simulations réalisées à l'aide d'un code PIC (Particle In Cell) ont permis de retrouver la signature d'un comportement chaotique prédit par le modèle théorique. L'influence de différents paramètres sur le gain en énergie cinétique des électrons apporté par le chauffage stochastique a été étudiée. Cela a permis également de conforter le bon choix du modèle théorique. Enfin, un premier test (numérique) d'utilisation du chauffage stochastique est présenté en annexe.

Titre traduit

Stochastic heating in ultra high intensity laser-plasma interaction

Résumé

This thesis takes place in the field of high intensity laser-plasma interaction. The aim was to highlight the stochastic heating effect. This phenomenon comes from the chaotic behavior of the plasma electrons. In order to have a simple theoretical model, two assumptions were made : underdense plasma and high intensity laser. The second one is equivalent to a>1 (where a is the normalized vector potential, a=eE0/mcw0 with (-e) the electron charge, E0 the electric field of the laser, m the electron mass, c the speed of light in vacuum and w0 the pulsation of the laser), so we need a relativistic approach of the system. The hamiltonian formalism is used in order to get information from our system. Using the Chirikov criterion, a set of parameters was deduced in order to get global stochasticity. Then, particle in cell simulations were performed in order to validate theoretical predictions. The influence of several parameters on the energy gain has been studied. Finally, a first numerical test was performed for protons acceleration.