Accélérateurs de particules laser-plasma stable à un seul faisceau laser

Des physiciens viennent de démontrer la possibilité de réaliser un accélérateur de particules laser-plasma en utilisant un seul faisceau laser, c’est le même flash laser qui produit le plasma accélérateur et les électrons qui seront accélérés. Les accélérateurs laser-plasma, dont le principe a été démontré il y a quelques années, accélèrent efficacement des électrons à très haute énergie en quelques millimètres seulement. Dans ces instruments, des impulsions laser intenses ionisent la matière en plasma et séparent les charges électriques produites, générant ainsi un champ électrique intense sur lequel surfent les particules accélérées. L’enjeu actuel des recherches est de simplifier la mise en œuvre de ces accélérateurs pour passer de l’expérience de démonstration à la réalisation d’accélérateurs laser-plasma opérationnels.

Des physiciens du Laboratoire d’Optique Appliquée - LOA (CNRS / Ecole Polytechnique / ENSTA-Paristech / Univ. Paris-Sud) en collaboration avec un chercheur de la Direction des applications militaires Île-de-France (DAM DIF) du CEA viennent de réaliser une avancée dans cette direction. En analysant en détail la production d’électrons de haute énergie lors de l’interaction d’une impulsion laser intense avec un gaz, ils ont mis en évidence un nouveau mécanisme d’auto-injection stable. Les électrons accélérés sont produits par l’impulsion laser qui engendre le plasma et le champ électrique intense. Cette avancée leur a permis de proposer un nouveau schéma d’accélérateur particulièrement simple puisqu’il n’utilise qu’une seule impulsion laser alors que la majorité des techniques actuelles nécessitent plusieurs impulsions. Ce travail fait l’objet d’une publication dans la revue Nature Communications.

L’une des difficultés essentielles dans la réalisation d’un accélérateur laser-plasma est l’injection des particules qui doivent ensuite être accélérées. Comment simplifier les méthodes mises en œuvre et améliorer la stabilité et les propriétés des faisceaux d’électrons pour les rendre utilisables ? Pour répondre à cette question, les physiciens sont revenus sur un mécanisme délaissé jusqu’à présent, car jugé trop instable : l’auto-injection. Pour disséquer ce phénomène, les chercheurs ont produit un plasma grâce à une impulsion laser traversant une cellule de gaz de longueur variable. Le flash intense de lumière crée, dans son sillage, une poche chargée de charge positive. Dans une première phase, les électrons accélérés proviennent de l’arrière de l’onde plasma, ils sont attirés par cette poche positive qu’ils vont suivre. C’est l’auto-injection longitudinale. Ensuite, des électrons pénètrent par le côté dans la poche positive. Ces électrons tournent autour de cette poche, leur trajectoire est donc fortement influencée par la forme tridimensionnelle de cette dernière. De faibles variations de cette forme, provoquées par les fluctuations du laser, induisent de larges variations des propriétés des électrons injectés. Ce mécanisme est donc intrinsèquement instable. L’injection longitudinale est quant à elle peu sensible aux fluctuations du laser et la stabilité de ce processus est comparable à celle des meilleures techniques d’injection. De plus, les électrons sont injectés avec des vitesses transverses faibles, ce qui permet d’accélérer des faisceaux d’électrons de faible divergence. Ces différences de propriétés entre ces deux mécanismes d’injection se retrouvent sur les propriétés du rayonnement X qui est produit par les électrons lors de leur accélération. Les auteurs proposent de favoriser l’un ou l’autre de ces mécanismes en changeant densité du gaz et longueur d’interaction pour produire des paquets d’électrons répondant aux divers types de besoins : auto-injection longitudinale pour un paquet d’électrons peu dense, mais d’énergie et de direction bien définie, et auto-injection transverse lorsque l’on souhaite accélérer une grande quantité d’électrons, mais avec des caractéristiques énergétiques et géométriques moins précises.

Source : Institut de physique du CNRS.