Vers des faisceaux d'ions accélérés par laser fiables, intenses et à haut taux de répétition

Towards reliable, intense and high repetition-rate laser-driven ion beamlines

• Auteur / Autrice : Simon Carrier-Vallieres
• Direction : Emmanuel d' Humières, Patrizio Antici
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, Matière et Nanosciences
• Date : Soutenance le 03/12/2020
• Etablissement(s) : Bordeaux en cotutelle avec Institut national de la recherche scientifique (Québec, province)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Lasers Intenses et Applications (Bordeaux ; 1999-....)
• Jury : Président / Présidente : François Legare
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuel d' Humières, Patrizio Antici, François Legare, Magdalena Bazalova-Carter, Tammy Ma, Victor Malka
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Magdalena Bazalova-Carter, Tammy Ma

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photonique

Détecteurs de rayonnement

Interactions laser-matière

Rayonnements ionisants

Accélérateurs de particules

Plasmas (gaz ionisés)

Mots clés libres

Optique/photonique

Accéleration de particules

Rayonnements ionisants

Physique des plasmas

Interactions laser-Matière

Détecteurs de particules

Ionizing radiation

Laser-Matter interactions

Particle acceleration

Optics/photonics

Plasma physics

Particle diagnostics

Résumé

Les accélérateurs de particules attirent beaucoup d’attention en raison de leur nombreuses applications dans des domaines allant des sciences fondamentales, à la médecine jusqu’aux applications industrielles. Ces travaux de doctorat se situent au premier plan du développement des sources d’ions générées par laser, afin de les rendre plus compétitives face aux accélérateurs conventionnels. Pour ce faire, les sources d’ions obtenues par laser doivent être compactes, efficaces par rapport aux coûts, fiables, intenses et opérées à des taux de répétition élevés. L’effort général de ces travaux de doctorat vise à pousser leur performance sur trois fronts, soit l’alignement précis des cibles, l’amélioration des cibles à l’aide de nanostructures ainsi que le développement de détecteurs de particules efficients. Cette quête d’efficacité accrue a requis des travaux autant numériques, par l’utilisation de Calcul de haute performance, qu’expérimentaux, par le montage d’une ligne d’accélération d’ions de pointe sur les installations de l’Advanced Laser Light Source (ALLS) 100 TW ainsi qu’en effectuant plusieurs campagnes expérimentales à l’étranger.Les travaux visent d’abord à augmenter la fiabilité des faisceaux d’ions par le positionnement précis des cibles solides utilisées en accélération d’ions par laser. Pour ce faire, un interféromètre de positionnement des cibles (Target Positioning Interferometer, TPI), atteignant une précision d’alignement sous-micrométrique, a été développé. Le design novateur du TPI est un interféromètre de Michelson modifié dans lequel nous avons introduit une lentille convergente asphérique dans le bras de la cible, afin de le transformer en un système de positionnement absolu ayant un unique point d’inambiguïté dans l’espace. La fine capacité d’alignement du TPI est atteinte également avec l’aide d’un algorithme numérique d’analyse des franges d’interférences qui maximise l’extraction de signaux à grand rapport signal-sur-bruit, effectuée dans une fenêtre de temps optimisée.La deuxième partie des travaux concerne le rehaussement du mécanisme d’accélération, permettant de générer de plus grandes quantités d’ions à des plus hautes énergies cinétiques, menant à des faisceaux d’ions plus intenses. Les cibles solides typiquement utilisées sont des feuilles métalliques minces, limitant l’efficacité de conversion d’énergie du laser aux ions à quelques pourcents tout au plus. Une façon d’augmenter cette efficacité de conversion est en nanostructurant la surface des cibles afin d’emprisonner l’onde incidente, augmentant ainsi le transfert d’énergie aux ions. Nous avons démontré, de façon théorique et expérimentale, qu’un ajustement optimal des paramètres géométriques des nanostructures, en particulier avec des nanosphères et des nanofils, mène à une augmentation du nombre d’ions et de leur énergies cinétiques de plusieurs fois les valeurs obtenues avec le même pulse laser incident sur une cible plane faite du même matériau.Dans la dernière partie, les travaux sont orientés sur le développement de détecteurs de particules efficients afin d’être implémentés sur les lignes d’accélération d’ions à haut taux de répétition. Une calibration en nombre absolu des nouveaux films radiochromiques EBT-XD a d’abord été effectuée. Il a été observé que les EBT-XD offrent une plus grande plage de mesure de dose ainsi qu’un seuil minimum d’énergie de détection plus élevé que leur homologue EBT3, étant donc mieux adaptés pour les lignes d’ions plus intenses. Nous avons également mesuré une sévère inhibition de la réponse des EBT-XD lorsque le pic de Bragg de la particule mesurée tombe directement dans la couche active des films, causant des erreurs importantes dans l’estimation du nombre de particules. Finalement, nous avons implémenté, sur la ligne d’accélération d’ions d’ALLS 100 TW, un système de détecteurs de particules calibrés en croisés incluant un spectromètre à parabole Thomson (TP) ainsi que deux en temps de vol.

Particle accelerators attract a lot of attention in the scientific and non-scientific community as a result of their wide applicability in fields ranging from fundamental sciences, medicine to industrial applications. This doctoral work stands at the forefront of laser-based ion accelerators, and pushes forward their development to make them more competitive ion sources compared to conventional particle accelerators. For achieving higher competitiveness, laser-driven ion sources must be compact, cost-effective, reliable, intense and operated at high repetition-rates, which all together yield ion beam characteristics that cannot be realistically matched by any other kind of ion accelerator. To do so, the general effort of this doctoral work tackled three different aspects of laser-based ion acceleration, namely precise target alignment, improved targetry using nanostructures and the development of efficient particle diagnostics. The endeavor required to perform equivalent amounts of numerical work, through simulations using High Performance Computing, as well as experimental work, by implementing a cutting-edge ion beamline at the Advanced Laser Light Source (ALLS) 100 TW facility and to carry out several experimental campaigns abroad.The first part of the work aims at improving the reliability of ion beams through the precise positioning of solid targets used in laser-driven ion acceleration. For this purpose, a Target Positioning Interferometer (TPI) that reaches subwavelength positioning precision was developed. The TPI’s novel design is a modified Michelson interferometer that incorporates an aspherical converging lens in the target arm to transform it from a relative to an absolute positioning device, having a single unambiguity point in space. The high positioning accuracy is also achieved by a numerical fringe analysis algorithm that maximizes the extraction of signals with high signal-to-noise ratio, in an optimized timeframe. The development of a fast algorithm is crucial to make the TPI a viable solution for its implementation in a laser-based ion accelerator.The second part of the work is focused on enhancing the acceleration mechanism to generate higher ion numbers and kinetic energies, leading to more intense ion bunches. The solid targets used are typically flat metallic targets which allow for less than 10% of laser energy absorption, thereby limiting the laser-to-ion conversion efficiency to a few percent. A way to increase this conversion efficiency is by using target surface nanostructuration to trap the incoming laser pulse, ultimately leading to a greater energy transfer to the ions. We have shown, both theoretically and experimentally, that a careful optimization of a nanostructure’s geometrical parameters, in particular for nanospheres and nanowires, leads to multiple-fold enhancements of ion numbers and kinetic energies, compared to the use of the same laser pulse incident on flat targets of the same material.The final part of the work is dedicated to the development of efficient particle diagnostics suitable for being implemented on high repetition-rate laser-based ion beamlines. We first performed the absolute number calibration of the new EBT-XD type of radiochromic films (RCF). The EBT-XD exhibit larger dose detection range and higher minimum energy threshold compared to their EBT3 counterpart, hence more suitable for intense ion beamlines. A severe response quenching was remarked when the Bragg peak of the measured particle falls directly within the active layer of the RCF, causing significant particle number misestimation errors. Finally, we have developed a Thomson Parabola (TP) and Time-of-Flight cross-calibrated set of particle diagnostics that were incorporated on the ALLS 100 TW ion beamline. The TP spectrometer uses a microchannel plate (MCP) detector that was calibrated from single proton impacts to reconstruct the response function of the MCP detection system.