Etude numérique et expérimentale d'un nouveau type d’accélérateur de protons par voie laser

Numerical and experimental study of a new laser-driven proton accelerator

• Auteur / Autrice : Arthur Hirsch-Passicos
• Direction : Emmanuel d' Humières
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique, Plasmas, nucléaire
• Date : Soutenance le 15/12/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux
• 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 : Joao Jorge Santos
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rachel Nuter, Yves Elskens
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dino Anthony. Jaroszynski, Caterina Riconda

Mots clés

Mots clés contrôlés

Impulsions électromagnétiques

Guides d'ondes

Charge d'espace

Cibles (physique nucléaire)

Interactions laser-plasma

Accélérateurs d'ions

Mots clés libres

Accélération d'ions par voie laser

Cible hélicoïdale

Charge d'espace

Propagation d'impulsion dans un guide d'ondes

Laser-Driven ion acceleration

Helical coil target

Space charge

Pulse propagation in a waveguide

Résumé

Dans le domaine de l'accélération d'ions par interaction laser-plasma, le Target Normal Sheath Acceleration (TNSA) est le schéma d'accélération le plus robuste. Cependant, il présente deux limitations majeures : une grande ouverture angulaire et un spectre d'énergie décroissant de manière exponentielle. Pour surmonter ces limitations, un nouveau schéma utilisant des cibles hélicoïdales (HC) a été proposé. Les cibles hélicoïdales permettent de focaliser et de post-accelérer un faisceau de protons généré par TNSA. Ce schéma utilise le courant de décharge autogénéré par l'éjection de charges lors de l'interaction laser-plasma. Le courant est dirigé à travers une cibles hélicoïdale conductrice, générant une impulsion électromagnétique (EMP) à l'intérieur de l'hélice qui va focaliser, post-accelérer et buncher une partie du faisceau de protons TNSA. Ce schéma a été validé pour des cibles hélicoïdales de pas et de diamètre constants lors de plusieurs expériences et présente un grand intérêt pour de nombreuses applications, allant du chauffage isochore pour l'étude de la matière dense (WDM) à la production de radio-isotopes pour la médecine, en passant par la production de neutrons pour l'astrophysique.Le travail présenté dans ce manuscrit commence par une étude expérimentale et numérique de l'impact de la géométrie des cibles hélicoïdales sur le faisceau de protons TNSA. La charge d'espace des protons est également identifiée comme le principal processus physique responsable du rendement limité des cibles hélicoïdales.La deuxième partie du travail présenté est une caractérisation du faisceau de protons lors de sa propagation à l'intérieur des cibles hélicoïdales afin de modéliser la charge d'espace d'un faisceau de protons TNSA à travers l'hélice. L'implémentation de ce modèle dans le code réduit DoPPLIGHT est décrite dans cette partie.Enfin, ce manuscrit présente le développement d'un nouveau concept de cibles hélicoïdales entourées d'un tube métallique afin de réduire fortement la dispersion du courant de décharge pendant sa propagation le long de l'hélice. Les simulations Particle-In-Cell (PIC) ainsi que les résultats de DoPPLIGHT montrent un fort effet de bunching au-dessus et en dessous de l'énergie caractéristique de la cible hélicoïdale. Ce nouveau schéma ouvre la voie à de nouvelles géométries de cibles hélicoïdales avec des pas variables dans le but d'améliorer l'énergie de coupure des protons.

In the domain of laser-driven ion acceleration, the Target Normal Sheath Acceleration (TNSA) is the most robust acceleration scheme. However, it suffers from two major limitations: a large angular opening and an exponentially decreasing energy spectrum. To overcome these limitations, a new scheme using helical coils (HC) was proposed. HC targets allow us to focus and post-accelerate a proton beam generated by TNSA. This scheme uses the discharge current self-generated by the charge ejection from the laser-plasma interaction. The current is driven through a conducting HC, generating an electro-magnetic pulse (EMP) inside the coil which can focus, post-accelerate and bunch part of the TNSA proton beam. This scheme was validated for constant pitch and diameter HC on several experiments and is of great interest for numerous applications, from isochoric heating for warm dense matter (WDM) study, radio-isotope production for medecine, or neutron production for astrophysics.The work presented in this manuscript starts with an experimental and numerical study of the impact of the HC geometry on the TNSA proton beam. The proton space charge is also identified as the main physical process responsible for the limited yield of the HC.The second part of the work presented is a characterisation of the proton beam during its propagation inside the HC in order to model the space charge of a TNSA proton beam through the helix. The implementation of this model in the reduced code DoPPLIGHT is described in this part.Finally, this manuscript presents the development of a new HC design surrounded by a metallic tube in order to strongly reduce the discharge current dispersion during its propagation along the helix. The Particle-In-Cell (PIC) simulations as well as the results from DoPPLIGHT show a strong bunching effect above and under the characteristic energy of the HC. This new scheme opens the door to new HC geometries with varying pitches in order to improve the proton cut-off energy.