Énergie pic (Epic)[GeV] ≈ 50 4.2
Dispersion en énergie (∆e/e)
≈ 10−4 ≈%
Charge ≈ nC [10-100]pC
Durée ps à ns fs
Divergence collimaté quelques mrad
Émittance normalisée ≈ π.mm.mrad ≈ π.mm.mrad
Tableau 1.3 Tableau comparatif des propriétés des faisceaux d'électrons issus d'accélé- ration laser plasma et conventionnelle.
injectés dans une seconde onde plasma cette fois-ci dans le régime linéaire, dans un milieu long : l'accélérateur. Le gain en énergie sera d'autant plus important que l'on est capable de guider l'impulsion laser sur une grande distance dans ce milieu long. Le principe de l'accélération à deux étages a déjà été validé lors d'une démonstration de principe [113] grâce à deux jets de gaz et deux impulsions multi-TW. Très peu d'expériences ont été réalisées pour le moment, mais les premières semblent prometteuses. Citons pour exemple celle réalisée par Pollock et al. en 2011 [85] dans une cellule a deux compartiments, qui en utilisant un seul faisceau laser produit la source dans le premier compartiment (environ 120 MeV) et accélère jusque 500 MeV dans le second, tout en réduisant la dispersion en énergie et la divergence. D'autres expériences reposent sur ce principe [114, 115].
Figure 1.13 Schéma de principe d'un accélérateur laser plasma double-étage sur l'ins- tallation APOLLON.
La gure 1.13 présente un des schémas de principe de l'accélération double-étage tel qu'envisagé sur le laser APOLLON-10 PW, future installation à l'Orme des merisiers, qui devrait délivrer des faisceaux multi-PW. En eet, les schémas d'accélération à double- étage avec deux faisceaux laser intenses se développent progressivement. Un résultat récent obtenu par l'équipe en pointe dans le domaine montre qu'avec deux faisceaux de 28 et 12 TW, on peut accélérer des électrons jusque 200 MeV [28]. Ces schémas devraient être, dans un futur proche, développés sur les lasers multi-PW existant et en cours de construction.
1.7 Conclusion
Au cours de ce chapitre, le principe de l'ALP a été discuté. Il repose sur l'excita- tion d'une onde de plasma dans un milieu sous dense par un faisceau laser ultra intense (I0 ≥ 1018 W/cm2) via la force pondéromotrice. Dans ce type de structure, les champs
accélérateurs atteints sont trois ordres de grandeurs plus importants que pour un accélé- rateur conventionnel, permettant un gain d'énergie de plusieurs centaines de MeV pour les électrons sur des longueurs extrêmement courtes, typiquement de quelques mm. Ces struc- tures permettent de fournir des faisceaux d'électrons aux propriétés inédites en termes de durée et donc de courant crête compris entre 1 et 10 kA.
Cette thèse s'inscrit dans une série d'expériences préparatoires à celles qui seront menées sur le laser APOLLON autour du Centre Interdisciplinaire Lumière EXtrême (CILEX). Avec cet équipement, un des objectifs est d'atteindre la gamme des 10 GeV grâce à un accélérateur double-étage composé d'un injecteur et d'un accélérateur. Dans la suite de ce manuscrit, nous nous intéresserons aux propriétés des faisceaux d'électrons fournis par l'injecteur ELISA : ELectron Injector for compact Staged high energy Accelerator conçu comme le prototype du futur injecteur d'électrons du schéma à deux étages qui sera testé avec le laser APOLLON. Nous verrons s'il est possible de concevoir une cible qui puisse répondre aux contraintes permettant de produire un faisceau d'électrons qui puisse être injecté dans un second étage. Nous étudierons pour cela l'eet de la mise en forme magnétique du faisceau d'électrons généré par cette cible ainsi que l'impact de la traversée par le paquet d'une feuille mince partiellement ionisée reproduisant l'eet du miroir plasma situé sur le trajet du faisceau d'électrons dans un schéma d'accélération linéaire, alternatif à celui présenté en gure 1.13. Une autre technique permettant de mettre en forme le faisceau d'électrons basée sur une méthode "tout optique" cette fois, sera aussi discutée dans la suite du manuscrit.
Avant de détailler les résultats expérimentaux obtenus avec cet injecteur, une des- cription des diagnostics du laser ainsi que du faisceau d'électrons est présentée dans le chapitre qui suit.
Chapitre 2
Dispositif expérimental et méthodes
d'analyse
Sommaire
2.1 Installation laser UHI100 . . . 37 2.2 Diagnostics laser . . . 37 2.2.1 La mesure de durée et le contraste laser . . . 37 2.2.2 La mise en forme spatiale de l'impulsion . . . 38 2.2.3 La mesure d'énergie dans le plan focal . . . 41 2.3 Cible : cellule de gaz à longueur variable . . . 41 2.3.1 Description de l'ensemble . . . 41 2.3.2 Dynamique de remplissage de la cellule. . . 43 2.3.3 Pro l longitudinal de densité . . . 45 2.4 Diagnostics de l'interaction laser-plasma. . . 46 2.4.1 Diagnostic plasma : ombroscopie . . . 46 2.4.2 Diagnostic électrons . . . 47 2.5 Méthode d'analyse des résultats. . . 49
2.5.1 Le logiciel SIMION et les estimations d'erreurs sur les énergies électroniques . . . 49 2.5.2 La calibration en charge du système de détection . . . 55 2.5.3 Le traitement des images . . . 56 2.6 Conclusion. . . 57
Je commencerai ce chapitre par présenter l'ensemble expérimental, reporté schéma- tiquement sur la gure 2.1 et sur lequel j'ai eectué les travaux présentés ci-après. Il s'agit du laser UHI100, système laser Ti :Sa décrit dans la partie suivante, situé au rez- de-chaussée de l'installation. La salle laser abrite les diérents modules laser détaillés plus loin qui permettent de délivrer des impulsions de forte énergie, non comprimées. Les im- pulsions lumineuses sont distribuées vers deux salles expérimentales distinctes localisées au sous-sol du bâtiment. La première est dédiée aux expériences mettant en jeu des cibles solides, la seconde, dans laquelle s'est déroulée l'activité à laquelle j'ai participé durant ma thèse, accueille les expériences d'accélération d'électrons en phase gazeuse. Comme reporté sur la gure2.1, cette salle contient un compresseur optique ainsi qu'un ensemble miroir déformable-senseur de front d'onde, situés en amont de l'enceinte d'interaction. J'ai reporté sur la gure 2.2 les éléments typiques utilisés dans l'enceinte principale d'in- teraction. On trouve une optique de focalisation, une cible, un dipôle escamotable et un
scintillateur. Un diagnostic d'ombroscopie a aussi été implémenté et est représenté sur cette gure. Dans ce chapitre, je détaille chaque outil expérimental utilisé, les diagnostics liés au laser, la cible ou encore les diagnostics d'analyse du faisceau d'électrons. J'expli- cite en n les méthodes d'analyse que j'ai développées et utilisées pour traiter les données présentées dans la suite du manuscrit.
Impulsion laser
Figure 2.1 Vue des équipements de la salle expérimentale.
Arrivée de gaz Faisceau d’électrons Dipôle escamotable Cellule de gaz Ecran Lanex x y Objectif Miroir UHI CCD 16bits ou Lentille
2.1. Installation laser UHI100
2.1 Installation laser UHI100
UHI100 est un laser Ti :Sa de classe 100 TW basé sur le principe de l'ampli cation à dérive de fréquence (Chirped Pulse Ampli cation ou CPA [15]).
Le schéma de principe du fonctionnement d'un laser basé sur la technique CPA est présenté en gure 2.3 (a). L'oscillateur (Saphir dopé Titane) délivre des impulsions de quelques nJ, inférieures à 10 fs (fs = 10−15s). La transformée de Fourier indique que plus une impulsion est courte, plus sa largeur spectrale est importante. Les impulsions délivrées par cet oscillateur ont une largeur spectrale de 75 nm. En utilisant des optiques dispersives, des réseaux dans notre cas, il est possible de diérencier le chemin optique parcouru par diérentes fréquences et donc d'étirer temporellement ces impulsions. Ces faisceaux sont ensuite imagés de façon à agrandir leur pupille, et ainsi éviter d'endommager les optiques se trouvant sur le parcours, avant d'être ampli és lors de leur passage au travers de cristaux de Ti :Sa pompés optiquement. Cette dernière étape est répétée plusieurs fois, neuf en tout dans notre cas, ce qui permet, en partant d'une énergie en sortie d'étireur de 1.5 µJ, d'aboutir à un faisceau en sortie d'ampli cation qui présente les caractéristiques suivantes : 2.4 J en moyenne, autour de 800 nm à une fréquence maximale de 10 Hz. Le spectre associé au laser à ce stade est présenté en gure 2.3 (b).
a) (
Figure 2.3 (a) Schéma de principe de la technique d'ampli cation à dérive de fréquence, les couleurs symbolisant les diérentes composantes spectrales de l'impulsion, synchroni- sées avant l'étireur et après la compression. (b) Spectre du laser UHI100 à la sortie des étages d'ampli cation.