3.4 Ionisation de la cible
3.4.1 Introduction et origine des ions
Jusqu’`a pr´esent, l’ensemble des r´esultats pr´esent´es dans ce manuscrit a ´et´e ax´e sur l’acc´el´eration des protons. Cependant comme nous l’avons aper¸cu
sur la figure 3.2, nous avons d´etect´e de nombreuses autres familles ioniques en quantit´e non n´egligeable et en particulier l’ensemble des ´etats charg´es du carbone. Etant donn´e que le ”r´egime” de ultra-haut contraste est relative- ment nouveau, et qu’il a fait l’objet de peu d’´etudes [91, 38, 90], nous avons cherch´e `a exploiter nos r´esultats afin de rendre compte de l’ionisation dans ces conditions exp´erimentales.
Origine des ions
Avant de nous pencher sur les processus d’ionisation en eux-mˆemes, nous allons d´eterminer l’origine des ions que nous avons d´etect´es afin de clarifier notre compr´ehension de l’interaction.
Diff´erentes ´etudes ont montr´e que g´en´eralement les ions acc´el´er´es par in- teraction laser-mati`ere sont issus des contaminants de la cible, contaminants dont on peut s’affranchir par chauffage r´esistif, ablation laser [61, 12, 10] (voir paragraphe 2.3) ... Par exemple, Hegelich et al [12] montrent qu’en chauffant la cible, l’´energie et le nombre d’ions issus du coeur du mat´eriau augmentent de fa¸con importante par rapport au cas standard d’une cible imperturb´ee alors que le faisceau de protons devient, quant `a lui, peu ´energ´etique et voit son flux baisser. Il apparaˆıt donc que l’interaction avec une cible non ”nettoy´ee” donne lieu majoritairement `a des faisceaux de protons ´energ´etiques issus de la couche d’impuret´es pr´esente en surface (hydrocarbures et vapeur d’eau).
Pour v´erifier cette assertion dans nos conditions exp´erimentales, nous nous sommes int´eress´es `a nos r´esultats exp´erimentaux obtenus sur des feuilles d’aluminium (dans notre exp´erience, nous n’avons `a aucun moment proc´ed´e `a un ”nettoyage” de la cible). En effet, sur une cible de Mylar, compos´ee d’hydrog`ene, de carbone et d’oxyg`ene, il est difficile de distinguer les ions provenant de la couche de contaminants de ceux issus du coeur de la cible. En revanche sur une feuille d’aluminium, la situation est diff´erente, l’aluminium n’´etant pas pr´esent dans la couche de pollution.
Sur la figure 3.48, on reporte une image caract´eristique de la parabole de Thomson FWD obtenue `a partir d’une cible de 100 nm d’´epaisseur d’aluminium.
Comme nous pouvons le remarquer, `a l’image des r´esultats obtenus sur une cible de Mylar, les ions d´etect´es sont les suivants : H+, (C2+, C3+, C4+, C5+, C6+), (O3+, O4+, O5+, O6+, O7+) et (N3+, N4+, N5+). Aucun ion
3.4 Ionisation de la cible 123 H+ C2+ C3+,O4+ C4+ C5+ C6+ O5+ O6+ O7+ O3+ N3+ N4+ N5+
Fig. 3.48 – Image de la parabole de Thomson FWD d’une cible d’aluminium de 100 nm d’´epaisseur irradi´ee par l’impulsion du laser UHI10.
aluminium n’est donc acc´el´er´e. On peut donc en conclure que dans cette configuration exp´erimentale, les ions sont issus des contaminants de la cible. De plus, ´etant donn´e que les r´esultats obtenus sur une cible de Mylar sont similaires `a ceux d’une feuille d’aluminium, on peut ais´ement ´etendre cette observation aux cibles de plastique.
Ionisation de la cible
Le principal objectif de l’´etude que nous allons pr´esenter ici est d’appro- fondir notre compr´ehension du r´egime d’acc´el´eration d’ions sur feuille mince en conditions de ultra haut contraste laser en entamant une discussion sur les processus d’ionisation.
Comme nous l’avons ´evoqu´e dans le paragraphe 2.3, l’ionisation de la cible est directement reli´ee `a la dynamique ´electronique. En effet, on peut l’attribuer a priori `a deux principaux m´ecanismes [12] :
1. Les ´electrons chauds g´en´er´es par l’impulsion laser d´ebouchent en arri`ere et forment un nuage ´electronique `a une distance de l’ordre de la longueur de Debye. Le champ ´electrostatique qui se met ainsi en
place est alors susceptible d’ioniser les ions pr´esents en surface par abaissement de la barri`ere de potentiel [101]. La fr´equence d’ionisation dans un champ ´electrique E est alors donn´ee par [102] :
νchamp = 6.6 × 1016 Z2/nef4.5 exp − 2Z3/3n3ef (Eat/E)
×10.87 Z3/n4
ef (Eat/E)
2nef−1.5
o`u Z repr´esente la charge de l’ion, Eat = 0.51 TV/m, le champ
´electrique atomique et nef = Z/pUk/UH avec Uk et UH respecti-
vement les potentiels d’ionisation de la particule de charge k et de l’hydrog`ene.
2. Les ´electrons du plasma (”´electrons froids”) et les ´electrons du courant de retour ainsi que les ´electrons chauds peuvent participer `a l’ionisa- tion par ionisation collisionnelle. Pour une temp´erature ´electronique suffisante (kBTe ≫ Uk), la fr´equence d’ionisation collisionnelle peut
ˆetre estim´ee suivant [103] :
νcol = neve4πa2b UH2/UkkBTe ln (kBTe/Uk)
o`u ab repr´esente le rayon de Bohr. Dans un cas plus g´en´eral, on
peut utiliser la description propos´ee par Voronov [104], valable quelle que soit la temp´erature ´electronique et pour laquelle la fr´equence de collision s’exprime suivant :
νcol = A
1 + P√U X + U U
K
exp (−U)
o`u U = Uk/kBTe et (A ; P ; X ; K)11 sont des constantes dont les
valeurs sont donn´ees dans [104]. Les fr´equences de collisions dues aux ´electrons ”froids” et aux ´electrons ”chauds” seront calcul´ees par la suite en consid´erant leur densit´e et leur vitesse, not´ees respectivement (nf
e ;vef) et (nce;vec).
Nous entamerons donc dans un premier temps une discussion sur le rˆole de chacun de ces processus `a l’image de l’analyse faite dans [12, 105, 106] et en s’appuyant sur des simulations PIC tenant compte de l’ionisation par collisions et par champ afin d’expliquer nos r´esultats exp´erimentaux
11Les constantes (A ; P ; X ; K) utilis´ees par la suite concerneront la g´en´eration des ions C6+ et O7+. D’apr`es [104], leurs valeurs respectivement sont :(0.123 × 10−9; 1 ; 0.62 ; 0.16) et (0.212 × 10−9; 0 ; 0.396 ; 0.35) o`u A est exprim´e en cm3.s−1.
3.4 Ionisation de la cible 125 concernant la g´en´eration d’ions carbone sur cible mince.
Dans un deuxi`eme temps, nous comparerons des r´esultats obtenus en configuration BC et UHC montrant une ´evidente diff´erence en termes de g´en´eration d’ions carbone.