Brevet FR3134678A1 — publié le 20231020

Procédé d’accélération d’électrons par interaction laser-plasma dans lequel au moins une impulsion laser est dirigée sur une surface (SS) d’une cible à l’état condensé (CS), ladite surface étant recouverte d’une couche de gaz (CG), l’intensité de ladite au moins une impulsion étant suffisante pour : - dans une étape A, générer, à partir de la cible à l’état condensé, un plasma dense ; - dans une étape B, après réflexion par le plasma dense, générer un sillage dans la couche de gaz ; - dans une étape C, chauffer les électrons dudit plasma dense à une énergie telle qu’un paquet desdits électrons soit injecté dans ledit sillage pour y être accéléré, ladite impulsion, ou au moins l’impulsion destinée à être réfléchie par le plasma dense et à chauffer les électrons de ce dernier, étant en incidence oblique en polarisation s sur ladite cible. [Fig. 2] Procédé et système d’accélération d’électrons par interaction laser-plasma La présente invention concerne un procédé et un système d’accélération d’électrons par interaction laser-plasma. Elle concerne notamment le domaine l’accélération d’électrons à l’aide de lasers femtosecondes allant de la classe térawatt (TW) jusqu’à la classe multi-PW (pétawatt) par un mécanisme de sillage laser ( Laser WakeField Acceleration ou LWFA en anglais). L'accélération d’électrons à des énergies relativistes sur de très courtes distances à l'aide de lasers est un objectif de longue date en physique et présente un grand intérêt fondamental. En effet, ce mécanisme d’accélération permet notamment de reproduire et de comprendre des processus physiques que l'on ne peut trouver que dans des scénarios astrophysiques extrêmes. Il permet en outre de réaliser des accélérateurs beaucoup plus compacts que les accélérateurs conventionnels pour la physique des hautes énergies et la médecine. En focalisant des impulsions délivrées par des lasers femtosecondes allant de la classe TW jusqu’à la classe multi-PW à des taches focales de quelques microns à quelques dizaines de micromètres il est possible d’obtenir des intensités supérieures à produisant des champs électriques de plusieurs TV/m. Lorsque l’amplitude crête normalisée a 1 de l’impulsion est supérieure ou égale à 1, l’électron oscille dans le champ laser avec une dynamique relativiste. C’est-à-dire que la vitesse de cet électron est proche de la vitesse de la lumière. Pour rappel, l’amplitude crête normalisée, est définie par : avec e et m e la charge et la masse de l’électron, respectivement, E L l’amplitude crête de l’impulsion (exprimée en V/m), la fréquence angulaire du laser et c la vitesse de la lumière. Pour une longueur d’onde , on a pour une intensité supérieure à 10 1 8 W/cm². Si un échantillon de matière est placé au foyer du laser, les champs électriques extrêmes ionisent la matière de manière quasi-instantanée et forment un plasma ultra-relativiste, les électrons étant accélérés à une vitesse proche de celle de la lumière sur des échelles de temps inférieures à une fs. Ceci permet l'étude d'une physique ultra-relativiste, hors d'équilibre et hautement non-linéaire, appelée "physique à ultra-haute intensité". Il existe plusieurs moyens de permettre l’accélération d’électrons par de tels champs lasers. Parmi les différentes méthodes existantes, l'accélération laser dans le vide ( Vacuum Laser Acceleration ou VLA en anglais) a suscité un intérêt considérable et a fait l'objet d'études théoriques approfondies en raison de son apparente simplicité. Dans cette méthode, les électrons interagissent avec un champ laser intense, dans le vide, et peuvent être accélérés en continu, à condition de rester dans une phase donnée du champ jusqu'à ce qu'ils s'échappent du faisceau laser. Dans la méthode VLA, le champ laser lui-même délivre des champs électriques de plusieurs TV/m qui peuvent en principe accélérer les électrons à des vitesses relativistes sur la longueur de Rayleigh du laser. Jusqu'à récemment, la méthode VLA a été essentiellement étudiée d'un point de vue théorique car les conditions nécessaires pour injecter correctement des électrons dans le champ laser étaient extrêmement difficiles. En effet, le paquet d'électrons injecté doit être ultra-court (bien plus court qu'une période laser La faisabilité de cette méthode d’injection à l’aide d’un miroir plasma relativiste a été démontrée dans le document Thévenet, M., et al. "Vacuum laser acceleration of relativistic electrons using plasma mirror injectors." Nature Physics 12.4 (2016): 355-360, ci-après « Thévenet, et al. ». La figure 1A illustre schématiquement le principe de cette technique. Une impulsion laser incidente en polarisation p ultra-brève ( ) est focalisée avec une intensité supérieure à sur un miroir plasma qui est réfléchissant pour le champ de l’impulsion laser incidente. Le miroir plasma est généré sous vide en ionisant une cible initialement solide par une pré-impulsion laser focalisée à une intensité supérieure à . Sous l’effet de ce champ laser, le « miroir plasma » ainsi formé oscille à des vitesses relativistes à la période laser. Lors de la réflexion sur la surface du miroir de plasma, le champ E de l’impulsion laser incidente éjecte des électrons de la surface du miroir de plasma et l’injecte dans le champ laser réfléchi. La charge injectée est ensuite accélérée par le champ électrique ultra-intense de l’impulsion laser. Malheureusement, cette méthode présente le désavantage de fournir des faisceaux d’électrons de mauvaise qualité. Plus précisément, les faisceaux d’électrons produits par VLA présentent une divergence élevée (plus de ) et une forte dispersion d‘énergie, ce qui rend cette méthode inutilisable pour certaines applications. En outre, l'énergie maximale du mécanisme de VLA évolue en racine carrée de la puissance laser P, ce qui n'en fait pas un bon candidat pour atteindre des énergies élevées (voir Zaïm, M. Thévenet, A. Lifschitz, and J. Faure, “Relativistic Acceleration of Electrons Injected by a Plasma Mirror into a Radially Polarized Laser Beam,” Phys. Rev. Lett. , vol. 119, no. 9, p. 094801, Aug. 2017, doi: 10.1103/PhysRevLett.119.09480). Une autre technique connue de l’homme du métier (voir notamment le document E. Esarey, C. B. Schroeder, and W. P. Leemans « Physics of laser-driven plasma-based electron accelerators”, Reviews Of Modern Physics, Volume 81, juillet - septembre 2009) pour accélérer des électrons par interaction laser-plasma est le mécanisme de sillage laser ( Laser WakeField Acceleration ou LWFA en anglais). La figure 1B est une représentation schématique du fonctionnement de ce mécanisme. Dans la méthode LWFA, un laser délivre des impulsions ultra-brèves qui sont focalisées dans un gaz avec une intensité élevée, typiquement supérieure à . Au foyer du laser, le gaz est ionisé de manière quasi-instantanée par le champ laser ultra-intense et forme un plasma "sous-dense", de densité électronique typiquement comprise entre et . Un plasma est dit «sous-dense », lorsque la fréquence plasma, proportionnelle à la racine carrée de la densité, est inférieure à la fréquence du laser. Pour des intensités laser supérieures à , l'impulsion laser (via la force podéromotrice qu’elle entraine) expulse violemment les électrons de sa trajectoire pendant sa propagation et forme une " bulle " vide d'électrons dans son sillage, qui peut supporter de grands champs accélérateurs de l'ordre de 100 GV/m. Certains électrons du plasma peuvent alors être piégés dans cette bulle et être accélérés à des vitesses relativistes sur des longueurs de quelques millimètres à quelques centimètres. Ce mécanisme de LWFA permet l'accélération d'électrons jusqu'à 8 GeV à l'échelle du cm (voir A. J. Gonsalves et al., “Petawatt Laser Guiding and Electron Beam Acceleration to 8 GeV in a Laser-Heated Capillary Discharge Waveguide,” Phys. Rev. Lett., vol. 122, no. 8, p. 084801, Feb. 2019, doi: 10.1103/PhysRevLett.122.084801). C’est pourquoi, il est considéré comme l'un des candidats les plus prometteurs pour construire la prochaine génération d'accélérateurs de particules compacts dédiés à la physique des hautes énergies. À l'heure actuelle, le dispositif de type LWFA peuvent déjà fournir des faisceaux d'électrons de haute qualité : ultra-courts (quelques fs), de petite taille (échelle µm), de faible divergence, et de faible dispersion en énergie (quelques %). Cependant, les dispositifs de type LWFA souffrent actuellement d'une charge par paquet d’électrons ( electron bunch en anglais) relativement faible à haute énergie (une dizaine de pC à quelques GeV). Aussi, se pose le problème d’augmenter la charge par paquet d’électrons obtenu par LWFA tout en conservant sa bonne qualité en termes de brièveté, dimension spatiale, divergence, et dispersion en énergie. La production de tels faisceaux à haute charge est cruciale pour de nombreuses applications comme la radiothérapie à très haut débit de dose, les lasers à électrons libres à rayons X compacts ou encore la prochaine génération de collisionneurs de particules basés sur système laser multi-PW. A cet effet, un objet de l’invention est un procédé et un système d’accélération d’électrons par interaction laser-plasma basés sur le mécanisme de sillage laser. Contrairement aux dispositifs de type LWFA de l’art antérieur, l’injection des électrons est effectuée à partir de la réflexion d’une impulsion laser ultra-brève dirigée en incidence oblique et en polarisation s sur un plasma dense préalablement généré, moyennant quoi un sillage laser est généré ensuite au sein du gaz. L’impulsion laser chauffe les électrons du plasma dense à une énergie telle qu’un paquet des électrons est injecté dans le sillage pour y être accéléré. Ainsi, il est possible d’obtenir un faisceau d’électrons avec des paquets d’électrons ultra-brefs et présentant une divergence faible, une charge importante pour une énergie élevée et une faible dispersion de l’énergie. Par rapport aux dispositifs de type LWFA de l’art antérieur, l’invention permet d’augmenter considérablement la charge du paquet d’électron tout en maintenant une qualité de faisceau d’électrons optimale. Par rapport aux dispositifs de type VLA, l’invention permet d’améliorier notablement la qualité du faisceau d’électrons (divergence et dispersion de l’énergie). A cet effet, un objet de l’invention est un procédé d’accélération d’électrons par interaction laser-plasma dans lequel au moins une impulsion laser est dirigée sur une surface d’une cible à l’état condensé, ladite surface étant recouverte d’une couche de gaz, l’intensité de ladite au moins une impulsion étant suffisante pour : - dans une étape A, générer, à partir de la cible à l’état condensé, un plasma dense ; - dans une étape B, après réflexion par le plasma dense, générer un sillage laser dans la couche de gaz ; - dans une étape C, chauffer les électrons dudit plasma dense à une énergie telle qu’un paquet desdits électrons soit injecté dans ledit sillage pour y être accéléré, ladite impulsion, ou au moins l’impulsion destinée à être réfléchie par le plasma dense et à chauffer les électrons de ce dernier, étant en incidence oblique en polarisation s sur ladite cible. Dans une première variante du procédé de l’invention, la génération du plasma dense en étape A est induite par une desdites au moins une impulsion laser dite pré-impulsion et les étapes B et C sont induites par une desdites au moins une impulsion laser dite impulsion principale, dans l’étape B, ladite impulsion principale est superposée spatialement à la pre-impulsion et présente un retard temporel par rapport à la pre-impulsion. De manière préférentielle, dans cette première variante : ledit retard temporel est suffisamment faible pour qu’une longueur d'échelle du gradient du plasma dense soit inférieure à une longueur d’onde de l’impulsion principale, et/ou ledit retard temporel est compris entre De manière préférentielle, dans cette première variante, le procédé comprend une étape de réglage dudit retard temporel de manière à optimiser une charge dudit paquet d’électron injecté dans ledit sillage. De manière préférentielle, dans l’étape A de cette première variante, l’intensité de la pre-impulsion est supérieure à sur ladite surface et, dans l’étape B, l’intensité de l’impulsion principale est supérieure à après réflexion par ledit plasma dense. De manière préférentielle, dans cette première variante, le procédé comprend une étape préalable aux étapes A et B de génération de la pre-impulsion et de l’impulsion principale à partir d’une même impulsion laser dite initiale. De manière préférentielle, dans cette première variante, le procédé comprend une étape préalable aux étapes A et B, d’augmentation du contraste temporel de l’impulsion principale par réflexion sur un ou plusieurs miroirs plasmas additionnels. De manière préférentielle, dans le procédé de l’invention, une pression moyenne dans la couche de gaz est comprise entre 0.1 atm et 200 atm, préférentiellement comprise entre 0.5 atm et 50 atm Un autre objet de l’invention est un système d’accélération d’électrons par interaction laser-plasma comprenant : une cible à l’état condensé recouverte d’une couche de gaz, un système laser adapté pour générer au moins une impulsion laser un système optique adapté pour diriger ladite au moins une impulsion laser sur une surface (SS) de la cible à l’état condensé le système laser et le système optique étant en outre configurés de telle sorte que l’intensité de ladite au moins une impulsion soit suffisante pour : générer, à partir de la cible à l’état condensé, un plasma dense; après réflexion par le plasma dense, générer un sillage dans la couche de gaz ; chauffer les électrons dudit plasma dense à une énergie telle qu’un paquet desdits électrons soit injecté dans ledit sillage pour y être accéléré le système optique étant en outre adapté pour que ladite impulsion, ou au moins l’impulsion, destinée à être réfléchie par le plasma dense et à chauffer les électrons de ce dernier, soit en incidence oblique en polarisation s sur ladite cible. De manière préférentielle, selon une première variante, le système laser et le système optique sont configurés pour : Générer une première dite impulsion, dite pré-impulsion, et la diriger vers la cible pour générer ledit plasma dense, Générer une seconde dite impulsion, dite impulsion principale, et la diriger vers la cible pour générer ledit sillage dans la couche de gaz et induire ledit chauffage des électrons dudit plasma dense, ladite impulsion principale, lors de sa réflexion par le plasma dense, étant superposée spatialement à la pre-impulsion. De manière préférentielle, dans cette première variante, ledit système laser est adapté pour que le contraste temporel de l’impulsion principale soit supérieur à , préférentiellement supérieur à . De manière préférentielle, le système de l’invention comprend un bec de gaz relié à un réservoir de gaz, le bec de gaz étant adapté pour délivrer un jet de gaz configuré pour former la couche de gaz. De manière encore préférentielle, le système de l’invention comprend une cellule de gaz scellée ou partiellement scellée par la cible, le bec de gaz étant adapté pour délivrer le jet de gaz dans la cellule de gaz. De manière encore préférentielle, la cible est formée par une portion de ruban qui se déroule d’une bobine, ledit système comprenant un ensemble moteur adapté pour dérouler ledit ruban dans la cellule. De manière préférentielle, dans le système de l’invention, le réservoir de gaz comprend de l’hélium et/ou de l’hydrogène et/ou de l’azote. De manière préférentielle, dans le système de l’invention, le bec de gaz est adapté pour qu’une pression moyenne dans la couche de gaz soit comprise entre 0.1 atm et 200 atm, préférentiellement comprise entre 0.5 atm et 50 atm. D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d’exemple et qui représentent, respectivement : et , une illustration schématique des méthodes connues de l’art pour accélérer des électrons par interaction laser-plasma dans le vide et par mécanisme de sillage laser respectivement, , un schéma de principe du système selon une variante préférée de l’invention, , trois représentations instantanées a, b et c d’une simulation de code PIC, obtenues à différents instants du procédé selon la variante préférée de l’invention, une représentation graphique d’un spectre du faisceau d’électrons généré par le système de l’invention obtenu par simulation, une représentation graphique d’un résultat expérimental : un spectre du faisceau d’électrons généré par le système de l’invention , une représentation schématique d’un système selon un premier mode de réalisation de l’invention, , une représentation schématique du système selon un deuxième mode de réalisation de l’invention, , une représentation schématique du système selon un troisième mode de réalisation de l’invention, Dans les figures, sauf contre-indication, les éléments ne sont pas à l’échelle. Procédé d’accélération d’électrons par interaction laser-plasma dans lequel au moins une impulsion laser (IL0) est dirigée sur une surface (SS) d’une cible à l’état condensé (CS), ladite surface étant recouverte d’une couche de gaz (CG), l’intensité de ladite au moins une impulsion étant suffisante pour : - dans une étape A, générer, à partir de la cible à l’état condensé, un plasma dense (MP) ; - dans une étape B, après réflexion par le plasma dense, générer un sillage laser (WF) dans la couche de gaz ; - dans une étape C, chauffer les électrons dudit plasma dense à une énergie telle qu’un paquet (EB) desdits électrons soit injecté dans ledit sillage pour y être accéléré, ladite impulsion, ou au moins l’impulsion destinée à être réfléchie par le plasma dense et à chauffer les électrons de ce dernier, étant en incidence oblique en polarisation s sur ladite cible. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel : la génération du plasma dense en étape A est induite par une desdites au moins une impulsion laser dite pré-impulsion (IL1), les étapes B et C sont induites par une desdites au moins une impulsion laser dite impulsion principale (IL2), dans l’étape B, ladite impulsion principale est superposée spatialement à la pre-impulsion et présente un retard temporel par rapport à la pre-impulsion. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel ledit retard temporel est suffisament faible pour qu’une longueur d'échelle du gradient (L) du plasma dense soit inférieure à une longueur d’onde ( ) de l’impulsion principale. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel ledit retard temporel est compris entre et . Procédé selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, comprenant une étape de réglage dudit retard temporel de manière à optimiser une charge dudit paquet d’électron injecté dans ledit sillage. Procédé selon l’une quelconque des revendications 2 à 5, dans laquelle, dans l’étape A, l’intensité de la pre-impulsion est supérieure à sur ladite surface et dans laquelle, dans l’étape B, l’intensité de l’impulsion principale est supérieure à après réflexion par ledit plasma dense. Procédé selon l’une quelconque des revendications 2 à 6, comprenant une étape préalable aux étapes A et B de génération de la pre-impulsion et de l’impulsion principale à partir d’une même impulsion laser dite initiale. Procédé selon l’une quelconque des revendications 2 à 7, comprenant une étape préalable aux étapes A et B, d’augmentation du contraste temporel de l’impulsion principale par réflexion sur un ou plusieurs miroirs plasmas additionnels. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une pression moyenne dans la couche de gaz est comprise entre 0.1 atm et 200 atm, préférentiellement comprise entre 0.5 atm et 50 atm Système d’accélération d’électrons par interaction laser-plasma (1) comprenant : une cible à l’état condensé (CS) recouverte d’une couche de gaz (CG), un système laser (SL) adapté pour générer au moins une impulsion laser (IL0) un système optique (SO) adapté pour diriger ladite au moins une impulsion laser sur une surface (SS) de la cible à l’état condensé le système laser et le système optique étant en outre configurés de telle sorte que l’intensité de ladite au moins une impulsion soit suffisante pour : générer, à partir de la cible à l’état condensé, un plasma dense (MP) ; après réflexion par le plasma dense, générer un sillage (WF) dans la couche de gaz ; chauffer les électrons dudit plasma dense à une énergie telle qu’un paquet (EB) desdits électrons soit injecté dans ledit sillage pour y être accéléré, le système optique étant en outre adapté pour que ladite impulsion, ou au moins l’impulsion (IL2), destinée à être réfléchie par le plasma dense et à chauffer les électrons de ce dernier, soit en incidence oblique en polarisation s sur ladite cible. Système selon la revendication précédente, dans lequel le système laser et le système optique sont configurés pour : Générer une première dite impulsion, dite pré-impulsion (IL1), et la diriger vers la cible pour générer ledit plasma dense, Générer une seconde dite impulsion (IL2), dite impulsion principale, et la diriger vers la cible pour générer ledit sillage dans la couche de gaz et induire ledit chauffage des électrons dudit plasma dense, ladite impulsion principale, lors de sa réflexion par le plasma dense, étant superposée spatialement à la pre-impulsion. Système selon la revendication précédente, dans lequel ledit système laser est adapté pour que le contraste temporel de la l’impulsion principale soit supérieur à , préférentiellement supérieur à . Système selon l’une quelconque des revendications 10 à 11, comprenant un bec de gaz (GN) relié à un réservoir de gaz, le bec de gaz étant adapté pour délivrer un jet de gaz (GJ) configuré pour former la couche de gaz, Système selon la revendication précédente, comprenant une cellule de gaz scellée ou partiellement scellée par la cible, le bec de gaz étant adapté pour délivrer le jet de gaz dans la cellule de gaz. Système selon l’une quelconque des revendications 12 à 14, dans lequel ladite cible est formée par une portion de ruban qui se déroule d’une bobine (BR), ledit système comprenant un ensemble moteur (MT) adapté pour dérouler ledit ruban dans la cellule. Système selon l’une quelconque des revendications 12 à 15, dans lequel le réservoir de gaz comprend de l’hélium et/ou de l’hydrogène et/ou de l’azote. Système selon l’une quelconque des revendications 12 à 16, dans lequel le bec de gaz est adapté pour qu’une pression moyenne dans la couche de gaz soit comprise entre 0.1 atm et 200 atm, préférentiellement comprise entre 0.5 atm et 50 atm.