Augmentation du courant moyen des accélérateurs laser plasma pour applications industrielles

Average Current Enhancement of Laser-Plasma Accelerators for Industrial Applications

• Auteur / Autrice : Lorenzo Martelli
• Direction : Cédric Thaury
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 19/09/2024
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Établissement opérateur d'inscription : École nationale supérieure de techniques avancées (Palaiseau ; 1970 -....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Optique Appliquée (Palaiseau)
• Jury : Président / Présidente : Victor Malka
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Kevin Cassou, Kristjan Põder, Quyen Dinh Xuan
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Emmanuel d' Humières, Sandrine Dobosz Dufrénoy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plasmas (gaz ionisés)

Accélérateurs d'électrons

Lasers femtoseconde

Mots clés libres

Plasma

Laser intense

Accélérateurs laser-plasma

Faisceaux d'électrons à haute charge

Faisceaux d'électrons à basse énergie

Applications industrielles

Plasma

Intense laser

Laser-plasma accelerators

High-charge electron beams

Low-energy electron beams

Industrial applications

Résumé

Cette thèse de doctorat s'inscrit dans le cadre d'une collaboration CIFRE entre Thales-MIS et le Laboratoire d'Optique Appliquée (LOA). L'objectif principal est d'améliorer le courant moyen des accélérateurs laser-plasma à faible énergie, notamment dans la gamme de quelques MeV. Cette avancée revêt un intérêt particulier pour les applications à faible énergie telles que la tomographie industrielle par rayons X, ne nécessitant pas de faisceaux d'électrons monoénergétiques.Des expériences ont été menées au moyen du système laser de 60 TW installé dans la Salle Jaune du LOA, capable de générer des impulsions de 30 fs. À travers une exploration minutieuse des densités de plasma, des énergies laser, des cibles gazeuses et des degrés de focalisation, nous avons identifié les conditions propices à la production de faisceaux d'électrons hautement divergents (i.e., >100 mrad) de quelques MeV, avec des charges variant de 5 à 30 nC. Nous avons également atteint une efficacité maximale de conversion d'énergie laser-électron d'environ 14 %, parmi les plus élevées jamais mesurées. En envisageant les futurs systèmes laser capables d'atteindre des puissances moyennes d'environ 100 W, ces configurations pourraient ouvrir la voie à la réalisation de faisceaux d'électrons accélérés par laser-plasma, avec des courants moyens dépassant 1 microampère, surpassant ainsi l'état de l'art actuel des accélérateurs laser-plasma. Pour mener à bien ces expériences novatrices, nous avons conçu une buse supersonique en verre et des dipôles magnétiques permanents permettant de dévier les électrons vers des écrans scintillants pour effectuer la spectrométrie des faisceaux produits. Parallèlement aux expériences, cette thèse a également approfondi les simulations Particle-In-Cell (PIC) pour étudier les mécanismes d'accélération. Grâce à un outil numérique spécifiquement développé pour traiter les résultats des simulations PIC, nous avons démontré que la force pondéromotrice du laser joue un rôle prépondérant dans l'accélération des électrons. Notamment, la majorité des particules ne sont pas injectées dans les ondes du plasma, mais glissent plutôt sur l'impulsion laser, acquérant ainsi une faible énergie de l'ordre de quelques MeV.

This doctoral thesis is part of a CIFRE collaboration between Thales-MIS and the Laboratoire d'Optique Appliquée (LOA). The main objective is to enhance the average current of low-energy laser-plasma accelerators, particularly in the range of a few MeV. This advancement is particularly interesting for low-energy applications such as industrial X-ray tomography, which does not require monoenergetic electron beams.Experiments were conducted using the 60,TW laser system installed in the Salle Jaune at LOA, capable of generating 30 fs pulses. Through meticulous exploration of plasma densities, laser energies, gas targets, and focusing degrees, we identified conditions conducive to producing highly divergent electron beams (i.e., >100 mrad) at energies of a few MeV, with charges ranging from 5 to 30 nC. We also achieved a maximum laser-to-electron energy conversion efficiency of approximately 14 %, one of the highest ever measured. Looking ahead to future laser systems capable of achieving average powers of around 100 W, these configurations could pave the way for generating laser-plasma accelerated electron beams with average currents exceeding 1 microampere, surpassing the current state of the art in laser-plasma accelerators. To facilitate these innovative experiments, we designed a supersonic glass nozzle and permanent magnetic dipoles to deflect electrons towards scintillating screens for beam spectroscopy. Concurrently with the experiments, this thesis also delved into Particle-In-Cell (PIC) simulations to study acceleration mechanisms. Using a dedicated numerical tool for processing PIC simulation results, we demonstrated that the ponderomotive force of the laser plays a predominant role in electron acceleration. Notably, the majority of particles are not injected into plasma waves but rather slide along the laser pulse, thereby gaining low energies on the order of a few MeV.