Génération d’ions rapides par impulsions laser ultra intenses et ultra courtes

Ion acceleration with ultra intense and ultra short laser pulses

• Auteur / Autrice : Vincent Floquet
• Direction : Philippe Martin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 13/11/2012
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ondes et Matière (Orsay, Essonne ; 1998-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physique à Haute Intensité (Saclay)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Martin, Dimitri Batani, Jean-Eric Ducret, Patrick Audebert, Tiberio Cercotti, Annie Klisnick
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dimitri Batani, Jean-Eric Ducret

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interactions laser-plasma

Température ionique

Mots clés libres

Plasma

Laser

Ions

Contraste

Gradient

Réseaux

Plasma

Laser

Ions

Contrast

Gradient

Gratings

Résumé

Pour accélérer des ions/protons il est possible d'utiliser une impulsion laser de courte durée temporelle (quelques dizaines de femtosecondes) focalisée sur quelques micromètres sur une cible solide (aluminium, carbone, plastique...). L'intensité du champ électromagnétique atteinte sur cible (> 1018 W.cm-2) nous permet de former un plasma chaud et dense. La dynamique des électrons de ce plasma génère des champs électriques intenses aux interfaces plasma-vide par séparation de charge. Ce champ électrique est alors responsable de l'accélération des ions situés sur la couche superficielle des cibles où se sont déposés des polluants organiques (dont des protons). Ce mécanisme d'accélération connu sous le nom de Target Normal Sheath Acceleration (TNSA), a constitué l'objet des travaux exposés dans cette thèse.Nos efforts au cours des différentes campagnes expérimentales se sont concentrés sur l'augmentation de l'énergie maximale des protons. En effet, les applications potentielles des particules de hautes énergies requièrent des énergies de l'ordre de la centaine de MeV. Pour ce faire, nous avons étudié différentes configurations permettant l'augmentation du couplage entre une impulsion laser et un plasma, ceci afin de transmettre avec le meilleur rendement possible, l'énergie du laser aux ions accélérés. C'est principalement en utilisant des configurations particulières de cibles (cibles avec microsphères, réseaux, cibles en mousses) que nous avons procédé. Des expériences utilisant une pré-impulsion comme contrôle de l'expansion du plasma ont également été réalisée. Du point de vue des applications et utilisations des ions accélérés, une étude des matériaux de fluorescence (CdWO4) a été menée dont le but était d'explorer le dépôt d'énergie des ions dans la matière, à des débits de flux jusqu'alors inaccessible avec les accélérateurs conventionnels.

Accelerating ions/protons can be done using short laser pulse (few femtoseconds) focused on few micrometers area on solid target (carbon, aluminum, plastic...). The electromagnetic field intensity reached on target (1019 W.cm-2) allows us to turn the solid into a hot dense plasma. The dynamic motion of the electrons is responsible for the creation of intense static electric field at the plasma boundaries. These electric fields accelerate organic pollutants (including protons) located at the boundaries. This acceleration mechanism known as the Target Normal Sheath Acceleration (TNSA) has been the topic of the research presented in this thesis.The goal of this work has been to study the acceleration mechanism and to increase the maximal ion energy achievable. Indeed, societal application such as proton therapy requires proton energy up to few hundreds of MeV. To proceed, we have studied different target configurations allowing us to increase the laser plasma coupling and to transfer as much energy as possible to ions (target with microspheres deposit, foam target, grating). Different experiments have also dealt with generating a pre-plasma on the target surface thanks to a pre-pulse. On the application side, fluorescent material such as CdWO4 has been studied under high flux rate of protons. These high flux rates have been, up to now, beyond the conventional accelerators capabilities.