Etudes expérimentales et numériques de l'accélération d'ions à partir de cibles gazeuses quasi critiques

Ion acceleration from high-intensity laser interactions with quasi-critical-gas targets : experiments and numerical simulations

• Auteur / Autrice : Valeria Ospina-Bohórquez
• Direction : Joao Jorge Santos, Luca Volpe
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique, Plasmas, nucléaire
• Date : Soutenance le 14/12/2022
• Etablissement(s) : Bordeaux en cotutelle avec Universidad de Salamanca (Espagne). Facultad de ciencias
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Lasers Intenses et Applications (Bordeaux ; 1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel d' Humières
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Livia Lancia, Anna Grassi, Laurent Yvan André Gremillet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Victor Malka, Luís O. Silva

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers de puissance

Accélérateurs d'ions

Interactions laser-plasma

Mots clés libres

Cibles laser à haut taux de répétition

Interaction laser-Plasma relativiste

Accélération d'ions par laser

Laser target at high repetition rate

Relativistic laser-Plasma interaction

Laser-Driven ion acceleration

Résumé

Les sources d’ions rapides générées par des lasers intenses constituent un sujet d’étude prometteur pour de multiples domaines de la recherche. Alors que l’accélération d’ions par interaction laser-cible solide a été étudiée de manière exhaustive, les plasmas de densité quasi-critique ont été peu abordés, en raison des difficultés liées à la génération contrôlée de densités de gaz élevées. De tels plasmas pourraient cependant donner lieu à un mélange de mécanismes d’accélération, tels que le « Target normal sheath acceleration » ou l’accélération par chocs non-collisionnels, ainsi qu’à la génération de populations d’électrons chauds super-pondéromoteurs. L’objectif de cette thèse s’inscrit dans le cadre du développement de sources d’ions générées par un laser intense à haut taux de répétition (HTR), nécessaire aux besoins de la plupart des applications. Les nouvelles installations lasers fs de haute intensité comme VEGA-3, Apollon ou BELLA PW, capables de fonctionner à HTR (~Hz), sont ainsi parfaitement adaptées à cet objectif. Dans le même temps, des buses à gaz de type « shock nozzle » nouvellement développées, connectées à des systèmes de gaz à haute pression, sont choisies pour leur compatibilité avec ces HTR et le fort couplage laser-gaz attendu. Une première étude paramétrique basée sur des simulations 1D de type « particle-in-cell » (PIC) a été effectuée pour comprendre l’interaction entre un laser intense et un jet de gaz quasi-critique et non-uniforme. Nous avons ainsi cherché à déterminer un jeu optimal de paramètres expérimentaux concernant l’interaction d’une impulsion laser L = 0,8 µm, L = 100 fs, I = 1e20 W/cm2, avec un jet de densité quasi-critique, produit par une buse à gaz non commerciale, développée au sein de notre groupe de collaboration. Nous avons utilisé pour cela le code PIC CALDER développé au CEA. Les efforts expérimentaux menés durant cette thèse sont divisés en deux campagnes, ayant eu lieu sur les installations laser VEGA-2 (200 TW) et VEGA-3 (PW). La première visait à étudier le potentiel de l’accélération d’ions à partir d’un jet de gaz de pointe, couplé à des buses de type « shock nozzle ». La seconde, qui a constitué la campagne principale de cette thèse, a permis de mettre en évidence, par l’intermédiaire de mesures de temps de vol, l’accélération vers l’avant de particules alpha d’énergie ~0,6 MeV/amu à un taux de répétition modéré, présentant des dispersions en énergie et angulaire relativement modérées. Elle a également confirmé la génération abondante d’électrons chauds prédits par les simulations numériques, mesurant des énergies maximales ~50 MeV. Des interférogrammes obtenus à l’aide de sondes optiques ont montré la formation d’un canal laser à travers le pic de densité. Plusieurs simulations 2D, effectuées pour expliquer certains de ces résultats, sont en accord qualitatif avec les mesures, permettant d’identifier les mécanismes d’accélération d’ions et d’électrons, ainsi que de décrire le phénomène formation du canal laser. Le travail effectué lors de cet thèse a permis d’éclairer ce régime d'interaction laser intense-gaz quasi-critique jusqu’alors inconnu, en combinant des approches numériques et expérimentales. De nombreux défis techniques ont ainsi été relevés. Nous avons pu développer une méthodologie expérimentale adaptée ainsi qu’un ensemble de diagnostics compatibles avec un fonctionnement à HTR. En outre, les résultats modestes, bien qu’encourageants, obtenus, démontrent la possibilité d’accélérer des ions à partir de cette interaction quasi-critique. Leurs applications sont nombreuses, allant de la production de radio-isotopes médicaux à des études de physique fondamentale. Du point de vue numérique, l’étude paramétrique effectuée en 1D des conditions optimales d’interaction laser-jet de gaz, propices à la production de chocs électrostatiques, donne des objectifs expérimentaux clairs pour des travaux futurs et met l’accent sur l’importance du développement de buses à gaz.

Fast ion sources driven by ultraintense lasers are promising in many fields of fundamental and applied science. While laser-based ion acceleration from solids has been extensively studied, near-critical-density plasmas have been little addressed so far due to difficulties in achieving well-controlled high gas densities. Such plasmas are predicted to give rise to a mix of acceleration mechanisms combining target normal sheath and collisionless shock acceleration, as well as hot-electron production beyond the standard ponderomotive scaling. The objective of this thesis lays within the framework of developing laser-driven ion sources at a high-repetition-rate (HRR) which is necessary to suit the needs of most applications. The recently commissioned high-power fs laser facilities like VEGA-3, Apollon or BELLA PW able to work at Hz repetition-rates are perfectly suited for this purpose. At the same time, state-of-the-art shock nozzles connected to high-pressure gas systems are chosen due to their HRR compatibility. Furthermore, a strong laser-gas energy coupling is expected by interacting at near-critical densities. A first parametric study based on 1-D particle-in-cell (PIC) simulations was conducted with the objective of understanding the intense laser-matter interaction in near-critical non-uniform density gas targets. Specifically, we aim at obtaining an optimal set of experimental parameters regarding the interaction of the a L = 0.8 µm, t = 100 fs, I = 1e20 W/cm² laser pulse with the near-critical non-uniform pure nitrogen theoretical gas profile produced by a non-commercial gas nozzle developed inside our collaboration group. The PIC code Calder developed at CEA was used. The experimental efforts conducted during this thesis are divided in two experiments that took place at the 200 TW VEGA-2 and 1 PW VEGA-3 laser systems. The first aimed at studying the potential for ion acceleration of a state-of-the-art gas jet coupled with shock nozzles. The second experiment, which was the main experimental task of this thesis work revealed, through time-of-flight measurements, the forward generation at a moderately high repetition rate of ~ 0.6 MeV/amu. alpha particles with relatively low energy dispersion and divergence. It also confirmed the copious hot electron generation predicted by numerical simulations measuring maximum electron energies of ~50 MeV. Optical probe interferograms evidenced channel formation across the gas density peak. Several 2-D PIC simulations have been conducted in order to study the underlying physical mechanisms at play and to explain some of the highlighted experimental results. These 2-D simulations are in qualitative agreement with the experimental observations allowing to identify ion and electron acceleration mechanisms as well as to describe the laser channeling process. The work conducted during this thesis has shed some light on the previously highly unknown regime of high intensity lasers interacting with near-critical gases combining both numerical and experimental efforts. From the experimental side several technical challenges were overcome and an experimental methodology as well as a HRR compatible diagnostic suite that allows for an appropiate investigation of this interaction regime were developed. Furthermore, modest although encouraging experimental results show the possibility of accelerating ions from such near-critical interaction. The applications of such ions and energies include the production of radioisotopes for medical purposes as well as diverse fundamental Physics studies. From the numerical side the 1-D parametric study of the optimum gas target and laser interaction conditions prompt to the production of electrostatic shocks are left as a clear experimental objective for future works and put an emphasis in the importance of nozzle development in the years to come.