Des accélérateurs laser-plasma aux sources de rayonnement X femtoseconde : étude, développement et applications

From laser-plasma accelerators to femtosecond X-ray sources: study, development and applications

• Auteur / Autrice : Sébastien Corde
• Direction : Kim Ta Phuoc
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : [Physique]
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Palaiseau, Ecole polytechnique

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayons X

Relativité (physique)

Plasmas (gaz ionisés)

Lasers

Mots clés libres

Accélération de particules

Résumé

Lors de l'interaction relativiste entre une impulsion laser brève et intense et un plasma sous-dense, des électrons peuvent être injectés et accélérés jusqu'à plusieurs centaines de MeV dans une structure accélératrice se formant dans le sillage de l'impulsion laser : c'est l'accélérateur laser-plasma. Une des applications majeures de ces accélérateurs réside dans le développement de sources compactes de faisceaux de rayonnement X femtoseconde. Au cours de cette thèse, deux sources de rayonnement X ont été étudiées et développées. Le rayonnement bétatron, intrinsèque à l'accélérateur laser-plasma, provient des oscillations transverses des électrons au cours de leur accélération. Sa caractérisation par comptage de photons a montré que le faisceau X contenait un total de 10^9 photons, avec des énergies pouvant être supérieures à 10 keV. Nous avons également développé une source Compton tout optique produisant des photons de quelques centaines de keV, basée sur la collision entre un faisceau de photons et un faisceau d'électrons. Le potentiel de ces sources de rayonnement a été mis en évidence en réalisant l'imagerie par contraste de phase mono-coup d'un échantillon biologique. Nous avons ensuite montré que l'émission X bétatron est un outil expérimental très puissant pour étudier la physique sous-jacente à l'accélération laser-plasma. On peut tout d'abord réaliser la cartographie de la région d'émission, ce qui donne des informations inédites, permettant par exemple de localiser l'endroit où sont injectés les électrons. Les propriétés angulaires et spectrales du rayonnement X permettent également d'avoir des informations sur la dynamique transverse des électrons au cours de leur accélération

During the relativistic interaction between a short and intense laser pulse and an underdense plasma, electrons can be injected and accelerated up to hundreds of MeV in an accelerating structure formed in the wake of the pulse: this is the so-called laser-plasma accelerator. One of the major perspectives for laser-plasma accelerators resides in the realization of compact sources of femtosecond x-ray beams. In this thesis, two x-ray sources was studied and developed. The betatron radiation, intrinsic to laser-plasma accelerators, comes from the transverse oscillations of electrons during their acceleration. Its characterization by photon counting revealed an x-ray beam containing 10^9 photons, with energies extending above 10 keV. We also developed an all-optical Compton source producing photons with energies up to hundreds of keV, based on the collision between a photon beam and an electron beam. The potential of these x-ray sources was highlighted by the realization of single shot phase contrast imaging of a biological sample. Then, we showed that the betatron x-ray radiation can be a powerful tool to study the physics of laser-plasma acceleration. We demonstrated the possibility to map the x-ray emission region, which gives a unique insight into the interaction, permitting us for example to locate the region where electrons are injected. The x-ray angular and spectral properties allow us to gain information on the transverse dynamics of electrons during their acceleration