Caractérisation et optimisation de sources d'électrons et de photons produites par laser dans les domaines du keV et du MeV

Characterization and optimization of laser-driven electron and photon sources in keV and MeV energy ranges

• Auteur / Autrice : Thomas Bonnet
• Direction : Franck Gobet, Mehdi Tarisien
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique, Plasmas et Corpuscules
• Date : Soutenance le 29/11/2013
• Etablissement(s) : Bordeaux 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre d'études nucléaires Bordeaux Gradignan - Centre d'Etudes Nucléaires de Bordeaux Gradignan / CENBG
• Jury : Président / Présidente : Dimitri Batani
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gilbert Bélier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Julien Fuchs, Olivier Dorvaux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrons

Photons

Interactions laser-plasma

Lasers femtoseconde

Mots clés libres

Ecran photostimulable

Laser/plasma

Diagnostics

Source photons

Source d'electrons

Imaging plates

Laser/plasma

Diagnotics

Photon source

Electron source

Résumé

Ce travail de thèse expérimental traite de la caractérisation et de l'optimisation de sources d'électrons et de photons (gamme en énergie keV- MeV) produites lors de l'interaction d'un laser à impulsion courte et intense avec une cible à l'état de plasma. La caractérisation en énergie et angulaire de ces sources est un enjeu d'importance, notamment dans la perspective de les utiliser pour des expériences de physiques nucléaires dans les plasmas. Une partie de ce travail est consacrée à l'étude des écrans photostimulables (IPs), détecteurs couramment utilisés pour la mesure des distributions en énergie et angulaire des faisceaux de particules accélérées par laser. Les caractéristiques des écrans de type MS, SR et TR de la marque Fuji ont été étudiés et leurs fonctions de réponse aux électrons, photons, protons et particules alpha sont établies dans une gamme en énergie de quelques kev à plusieurs MeV. Enfin un protocole est proposé pour réaliser des mesures quantitatives avec ces détecteurs dans différentes configurations expérimentales.Dans une seconde partie, une source d'électrons produite avec l'installation ELFIE du LULI dans la gamme en énergie de l'ordre du MeV a été caractérisée et optimisée en faisant varier l’extension spatiale du pré-plasma dans lequel interagi le laser intense. En particulier nous montrons que plus de 1011 électrons de plus de 10 MeV sont accélérés lors de l’interaction laser- plasma pour des conditions particulières d’extension longitudinale du pré-plasma en amont, mais aussi en aval de la cible.Dans une dernière partie, une source de photons produite à haute cadence avec le laser AURORE du CELIA est étudiée dans une gamme en énergie d'une dizaine de keV. L’originalité de la source réside dans la nature de la cible qui est du gallium à l'état liquide. Nous montrons en particulier que l'énergie moyenne et le nombre des photons peuvent être optimisés en créant des jets de gallium à la surface de la cible au moyen d'une pré-impulsion laser. Une interprétation physique du phénomène est proposée s’appuyant sur des simulations numériques.

This work takes place in the framework of the characterization and theoptimization of laser-driven electron and photon sources. With the goal of usingthese sources for nuclear physics experiments, we focused on 2 energy ranges:one around a few MeV and the other around a few tens of keV. The first partof this work is thus dedicated to the study of detectors routinely used forthe characterization of laser-driven particle sources: Imaging Plates. A modelhas been developed and is fitted to experimental data. Response functions toelectrons, photons, protons and alpha particles are established for SR, MS andTR Fuji Imaging Plates for energies ranging from a few keV to several MeV. Thesecond part of this work present a study of ultrashort and intense electron andphoton sources produced in the interaction of a laser with a solid or liquid target.An experiment was conducted at the ELFIE facility at LULI where beams ofelectrons and photons were accelerated up to several MeV. Energy and angulardistributions of the electron and photons beams were characterized. The sourceswere optimized by varying the spatial extension of the plasma at both the frontand the back end of the initial target position. In the optimal configuration ofthe laser-plasma coupling, more than 10exponent11 electrons were accelerated. In the caseof liquid target, a photon source was produced at a high repetition rate on anenergy range of tens of keV by the interaction of the AURORE Laser at CELIA(10exponent16 W cm exponent-2) and a melted gallium target. It was shown that both the meanenergy and the photon number can be increased by creating gallium jets at thesurface of the liquid target with a pre-pulse. A physical interpretation supportedby numerical simulations is proposed.