EP2909841B1 - Procede et dispositif de generation d'un faisceau de particules chargees focalise de fort courant - Google Patents

Procede et dispositif de generation d'un faisceau de particules chargees focalise de fort courant Download PDF

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EP2909841B1
EP2909841B1 EP13795817.9A EP13795817A EP2909841B1 EP 2909841 B1 EP2909841 B1 EP 2909841B1 EP 13795817 A EP13795817 A EP 13795817A EP 2909841 B1 EP2909841 B1 EP 2909841B1
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EP
European Patent Office
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laser pulse
target
generating
laser
charged particles
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EP13795817.9A
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EP2909841A1 (fr
Inventor
Julien Fuchs
Bruno ALBERTAZZI
Henri PEPIN
Emmanuel D'HUMIERES
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institut National de La Recherche Scientifique INRS
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Ecole Polytechnique
Original Assignee
Institut National de La Recherche Scientifique INRS
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Ecole Polytechnique
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J3/00—Details of electron-optical or ion-optical arrangements or of ion traps common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
    • H01J3/14—Arrangements for focusing or reflecting ray or beam
    • H01J3/20—Magnetic lenses
    • H01J3/22—Magnetic lenses using electromagnetic means only
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21K—TECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K1/00—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating
    • G21K1/08—Deviation, concentration or focusing of the beam by electric or magnetic means
    • G21K1/093—Deviation, concentration or focusing of the beam by electric or magnetic means by magnetic means

Definitions

  • the present invention relates to methods for generating a focused beam of charged particles of high current and devices for generating such beams.
  • the invention relates to a method for generating a focused pulse beam of charged particles of high current, the particle beam having for example a duration of the order of one picosecond, a current of about kilo-ampere and being formed of particles having an energy of the order of the megaelectronvolt.
  • such beams can be generated by means of an interaction between a high power laser and a solid target.
  • These beams are usually strongly divergent and it is desirable to be able to focus them for applications such as the sounding of physical phenomena, inertial fusion or the generation of intense radiation.
  • chromatic focusing devices for example the one described in "Ultrafast laser-driven microlens to focus and energy-select mega-electron volt protons" by T. Toncian et al. (SCIENCE, Vol 312, April 21, 2006 ), however such a device selects an energy in the spectrum of the particle beam and a large part of the beam is therefore not focused.
  • the invention provides a method for generating a focused charged particle beam according to claim 1.
  • an intense and compact magnetic field structure can be generated in the target.
  • the amplitude of these fields is sufficient to focus a pulsed beam of charged particles of strong current without being substantially disturbed by the field generated by said beam.
  • the focus may be stable throughout the duration of passage of the charged particle beam, for example several picoseconds, which allows an achromatic focusing of the pulsed beam of charged particles.
  • the intensity of focus is adjustable according to the intensity of the laser pulse. Focusing positively or negatively charged particles is possible simply by changing the direction of propagation of the laser pulse generating the magnetic field structure with respect to the direction of propagation of the pulsed charged particle beam.
  • the invention also relates to a device for generating a focused charged particle beam according to claim 9.
  • the invention relates to a method for generating a focused pulse beam of charged particles of high current 10 .
  • Such a particle beam 10 may have a duration of the order of one picosecond, for example between a few tens of femtoseconds and a few tens of picoseconds, for example three hundred femtoseconds.
  • Such a particle beam 10 may have a current of the order of one kilo-ampere, for example from a few amperes to a few mega-amperes, and be formed of particles having an energy of up to a few tens of megaelectronvolts, for example up to sixty megaelectronvolts.
  • the particle beam 10 may comprise a large fraction of particles with an energy higher than the megaelectronvolt, for example more than half of the particles.
  • Such beams are for example used in applications such as probing physical phenomena, inertial fusion or the generation of intense radiation.
  • such a beam 10 can for example be generated by an interaction between a high power generation laser pulse 20 and a generation target 30 .
  • the generation laser pulse 20 can have a high power, for example a hundred terawatts.
  • the laser beam may for example consist of a pulse having an energy of about thirty joules and a duration of about three hundred femtoseconds.
  • the intensity of the first laser pulse may for example be between a few Joules and a few kilojoules
  • the duration of the laser pulse may be between a few tens of femtoseconds and a few tens of picoseconds.
  • the generation laser pulse 20 can be generated 1100 by a first high power laser source 21 and propagate in a propagation direction X L1 .
  • the generation target 30 is a solid target, for example an aluminum film 15 microns thick, as described in FIG. "Ultrafast laser-driven microlens to focus and energy-select mega-electron volt protons" by T. Toncian et al. (SCIENCE, Vol 312, April 21, 2006 ) and references cited in this article.
  • An interaction 1200 between the generation pulse 20 and the generation target 30 can be obtained by at least partially focusing said pulse on said target.
  • the generation laser pulse 20 is focused, by means of optical focusing devices, on a front face 31 of the generation target 30 at the a focal spot 32 of reduced dimensions, for example from about 6 micrometers wide to half the maximum intensity (“FWHM").
  • This laser pulse 20 creates a plasma 34 at the front face 31 of the generation target 30 by ionizing the atoms of the target 30 located at the focal spot 32 .
  • the laser pulse 20 heats the generation target 30 and communicates to the electrons of said target 30 a large thermal energy that can cause a portion 35 of said electrons to cross the target to escape at the rear face 33, said face rear 33 being a face of the generation target 30 opposite to the front face 31 in a direction of thickness X T1 of the first target, said direction of thickness X T1 being for example substantially perpendicular to the extension plane of the first target Y T1 Z T1 .
  • the thickness direction X T1 of the generation target 30 and the propagation direction of the first laser pulse X L1 may be substantially collinear.
  • the propagation direction X L1 of the laser can be inclined with respect to said thickness direction of the first target X T1 , for example 45 ° or more.
  • the first laser pulse 20 thus generates an electron displacement 35 in the thickness of the generation target 30 which constitutes an electron beam 35 moved substantially in the direction of thickness X T1 of the generation target 30 .
  • these electrons can generate significant electric fields 36 at said rear face 33 (of the order of tera-volt per meter).
  • These electric fields 36 can in particular be intense enough to pull ions 11 from the back face (for example impurities trapped on the opposite surface) and thus generate 1200 a beam 10 of charged particles 11.
  • the energy of said charged particles 11 may for example be up to sixty or one hundred megaelectronvolts and the doses may for example be of the order of 10 11 to 10 13 particles per pulse.
  • a pulse of such a beam 10 may for example last less than one picosecond, that is to say substantially the duration of the first laser pulse and the current generated can thus be of the order of a few kilo-amps to a few hundred kilo-amps.
  • the electron beam 35 moved in the thickness of the generation target 30 by the first laser pulse 20 may be divergent.
  • the charged particle beam 10 can thus also be divergent.
  • a method of generating a high current focused charged particle beam may comprise the following steps.
  • a step a) comprises the generation of a particle beam 10 , for example by means of the operations described above.
  • a second step b) 2100 comprises the emission of a second laser pulse 40 .
  • This second laser pulse 40 may have a power of a few terawatts, a few tens of terawatts or more.
  • This second laser pulse 40 may have a duration of between ten femtoseconds and a few dozen picoseconds.
  • the second laser pulse 40 may be emitted by a second laser source 41, as shown in FIG. figure 1 or, alternatively, it can be emitted by the first high power laser source 21 as shown in FIG. figure 3a and for example refocused by means of focusing devices 42 such for example as mirrors bypassing the first target 30 .
  • the second step b) 2100 comprises increasing the laser contrast of said second laser pulse 40 as will now be described in more detail.
  • the second laser pulse 40 comprises pre-pulses of second laser pulse 40 propagating just before the main laser pulse of the second laser pulse 40 .
  • a laser contrast enhancement device can in particular increase the laser contrast of the second laser pulse 40 .
  • a device for increasing the laser contrast is a device able to significantly reduce the intensity of the pre-pulses of the second laser pulse 40 with respect to the main laser pulse of the laser. second laser pulse 40 .
  • an incoming ratio is defined as being a ratio between the maximum intensity of the main laser pulse of the second laser pulse 40 and the maximum intensity of the pre-pulses of the second laser pulse 40, for a second laser pulse 40 propagating upstream of the laser contrast enhancement device.
  • an outgoing ratio is defined as being a ratio between the maximum intensity of the main laser pulse of the second laser pulse 40 and the maximum intensity of the second laser pulse pre-pulses 40 for a second laser pulse 40 propagating downstream of the laser contrast enhancer.
  • a device for increasing the laser contrast may be such that the outgoing ratio is approximately ten times greater than the incoming ratio.
  • a device for increasing the laser contrast can for example be such that the outgoing ratio is approximately one hundred times greater than the incoming ratio.
  • the laser contrast enhancement device may in particular be integrated with a focusing device 42 in the following manner.
  • the focusing device 42 may for example comprise a transparent blade for the wavelength of the laser, for example a transparent glass slide.
  • the second laser pulse 40 may strike said focusing device 42 with an angle of incidence deviated from the normal.
  • the second laser pulse 40 may further have a fluence such that pre-pulses of the second laser pulse 40 are of sufficiently low intensity to pass through said focusing device 42, or be reflected only a few percent of intensity.
  • Said plasma on the surface of the focusing device 42 may in particular be able to reflect, for example, to reflect from fifty percent to eighty percent intensity, the main laser pulse of the second laser pulse 40 into a second reflected laser pulse.
  • plasma on a surface of the focusing device is thus meant a plasma mirror capable of reflecting at least a portion of the main laser pulse of the second laser pulse 40 .
  • Said second reflected laser pulse can then constitute the second refocused laser pulse 40 by means of focusing devices 42 for the rest of the present description.
  • Such a device for increasing the laser contrast comprising a transparent blade, may for example be such that the outgoing ratio is approximately ten times greater than the incoming ratio.
  • a device for increasing the laser contrast comprising a transparent plate provided with an antireflection treatment, may for example be such that the outgoing ratio is about a hundred times greater than the incoming ratio.
  • a third step c) 2200 comprises generating a focus magnetic field structure 60 in a second target 50 by means of an interaction of the second laser pulse 40 with said target 50 .
  • Second target 50 is a solid target. It can be a metal target.
  • the second target 50 may for example comprise a part made of gold, aluminum or copper.
  • the second target 50 may, for example, extend substantially along an extension plane Y T2 Z T2 . and comprise a front face 51 and a rear face 53 opposite one another in a direction of thickness X T2 perpendicular to said extension plane Y T2 Z T2 .
  • Said front 51 and rear 53 may be separated by a thickness measured in the thickness direction X T2 and for example between 500 nanometers and a hundred micrometer, for example about ten micrometers.
  • An interaction between the second pulse 40 and the second target 50 can be obtained by at least partially focusing said pulse on said target.
  • the second laser pulse 40 can be focused on the front face 51 of the second target in a focal spot 52 of reduced dimensions, for example from about 6 micrometers in width to half the maximum intensity (“FWHM”) .
  • the second laser pulse 40 can propagate in a propagation direction X L2 , for example substantially collinear with the direction of horizontal thickness X T2 .
  • the propagation direction X L2 of the laser can be inclined with respect to said thickness direction of the second target X T2 .
  • the interaction between the second laser pulse 40 and the second target 50 creates a first electron displacement 55 according to a mechanism similar to the mechanism described above with respect to the interaction between the first laser pulse and the first target.
  • the front face 51 of the second target 50 may be carved, for example by relief patterns, so as to control said first electron displacement 55 .
  • This first electron displacement 55 can be directed from the front face 51 to the rear face 53 of the second target 50 and can generate displacement currents in the second target 50, oriented substantially in the direction of thickness X T2 of the second target, and located in the extension of the focal spot 52 in the thickness direction X T2 of the second target 50.
  • the electron density in an area 54 of the second target 50 located near the focal spot 52 on the front face 51 of the second target can be lowered.
  • This lowering of the electron density can cause a second electron displacement 56, this time since the whole of the second target 50 to said zone 54 of the second target located near the focal spot, so as to restore the neutrality in said zone 54.
  • This second electron displacement 56 can generate return currents in the second target.
  • the displacement currents and the return currents can then generate magnetic fields 60 in the second target 50.
  • These magnetic fields 60 may constitute a focusing magnetic field structure 60 which will now be described.
  • the displacement currents can be oriented in the thickness direction X T2 of the second target 50, the magnetic fields 60 can therefore be perpendicular to said thickness direction X T2 of the second target 50.
  • the return currents can be oriented at least partly in a radial direction to the direction of thickness X T2 of the second target (that is to say having at least one non-zero component in a direction radial to the direction of thickness X T2 ), said magnetic fields 60 may thus comprise at least one non-zero component in a circumferential (or ortho-radial) direction, perpendicular to the thickness direction X T2 of the second target 50 and in a direction radial to said thickness direction X T2 .
  • the magnetic fields 60 located on either side of an axial direction substantially collinear with the thickness direction X T2 of the second target 50 may thus comprise components of opposite directions.
  • the focus magnetic field structure 60 formed by said magnetic fields 60 can thus have axial symmetry with respect to an axis collinear with the thickness direction X T2 of the second target 50.
  • the focusing magnetic field structure 60 formed by the magnetic fields 60 may have a toroidal or solenoidal geometry around the thickness direction X T2 of the second target 50.
  • a charged particle beam of high current 10 as described above may enter at least partially within said magnetic field focusing structure 60.
  • the particle beam 10 may, for example, be propagated along a propagation direction X P , for example a substantially collinear propagation direction with the thickness direction X T2 of the second target 50.
  • the direction of propagation of the particle beam 10 can for example be understood as being the vectorial average of the propagation directions of the particles 11 constituting the beam.
  • the particle beam 10 may be placed so as to penetrate at least partially into the second target 50, for example at its front face 51, for example at the focal spot 52 situated on the front face 51.
  • the particles 11 composing the beam 10 being charged they can be deflected by the focusing magnetic field structure 60.
  • the focusing magnetic field structure 60 generated by the interaction between the second laser pulse 40 and the second target 50 can thus make it possible to focus said charged particle beam 10 by deflecting at least a large fraction of the particles of the beam 11.
  • Said particles 11 may in particular be deflected in the direction of propagation X P of said beam 10. That is to say that the particles 11 may be deflected in a direction radial to the propagation direction X P of the beam.
  • the focusing magnetic field structure 60 can deflect said particle 11 from the beam in the direction of propagation X P of said beam or in the opposite direction, c that is, focusing or defocusing said particle beam.
  • the particle beam 10 can be placed so as to penetrate at least partially into the second target 50 at its rear face 53 and propagate in the second target 50 towards the front face 51.
  • the focusing magnetic field structure 60 is the reverse of the structure 60 described in the embodiment of the present invention.
  • figures 1 and 3a That is to say that the directions of magnetic fields 60 of the structure are opposite to directions of the magnetic fields 60 of the structure of the previous embodiment.
  • the deviation of each of the particles of the beam 11 is thus reversed with respect to the previous embodiment and the beam 10 will be defocused or focused according to the charge of the particles 11 the component inversely with respect to the embodiment of the figures 1 and 3a .
  • the focusing distance of such a focusing device 100 or generation 200 can be modulated.
  • the electron displacements 55, 56 and therefore the currents generated in the second target 50 can be decreased.
  • the generated magnetic fields 60 can be decreased and the deviation of the particles 11 of the particle beam 10 will be smaller.
  • the focus achieved by the focusing device 100 or the generation device 200 can thus be smaller and the focal length higher.
  • the focusing achieved by the focusing device 100 or the generation device 200 can be increased and the focal length decreased.
  • the use of different materials for the second target 50 also makes it possible to influence the focusing achieved by the focusing device 100 or the generation device 200.
  • the skilled person may choose different materials to vary the importance of the generated magnetic field, in particular according to the resistivity of said material and the ionization dynamics and heating of the material as described for example in the article "Dynamic Control over Mega-Ampere Electron Currents in Metals Using Ionization-Driven Resistive Magnetic Field” by Y. Sentoku et al. (Physical Review Letters, 107, 135005, 2011 ) and references cited in this article.
  • a high intensity charged particle beam focusing device 100 or a high intensity focused charged particle beam generating device 200 may further comprise different additional modules.
  • a vacuum chamber 70 can accommodate said devices 100, 200 and in particular at least one laser 40 and a target 50.
  • the vacuum chamber 70 may be provided with a window 71 enabling said beam of charged particles 10 to leave the vacuum chamber.
  • the vacuum chamber 70 may be provided with a collimator 80 for stopping radiation or peripheral particles at the output of the device 100, 200.
  • the vacuum chamber 70 may be provided with a radiation stop module, for example comprising a high atomic number material such as iron, lead or uranium.
  • the vacuum chamber 70 may also be provided with a beam deflection module for separating the charged particle beam and radiation having a near propagation direction, for example a magnetic field-based deflection module.
  • a beam deflection module for separating the charged particle beam and radiation having a near propagation direction, for example a magnetic field-based deflection module.
  • the vacuum chamber 70 can be set and maintained under vacuum by means of one or more vacuum pumps 72.

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Description

  • La présente invention est relative aux procédés de génération d'un faisceau de particules chargées focalisé de fort courant et aux dispositifs de génération de tels faisceaux.
  • Plus particulièrement, l'invention se rapporte à un procédé de génération d'un faisceau impulsionnel focalisé de particules chargées de fort courant, le faisceau de particules ayant par exemple une durée de l'ordre de la picoseconde, un courant de l'ordre du kilo-ampère et étant formé de particules ayant une énergie de l'ordre du mégaélectronvolt.
  • On peut par exemple générer de tels faisceaux au moyen une interaction entre un laser de forte puissance et une cible solide. Ces faisceaux sont usuellement fortement divergents et il est souhaitable de pouvoir les focaliser pour des applications comme par exemple le sondage de phénomènes physiques, la fusion inertielle ou la génération de radiations intenses.
  • Malheureusement, l'intensité de tels faisceaux les rend difficiles à focaliser. Ainsi, les aimants quadripôles communément utilisés pour focaliser les faisceaux de particules chargées dans les accélérateurs de particules sont perturbés par le champ électromagnétique du faisceau intense et ne fonctionnent pas convenablement.
  • On connait des dispositifs de focalisation chromatiques, par exemple celui décrit dans « Ultrafast laser-driven microlens to focus and energy-select mega-electron volt protons » de T. Toncian et al. (SCIENCE, vol. 312, 21 avril 2006), cependant un tel dispositif sélectionne une énergie dans le spectre du faisceau de particules et une grande partie du faisceau n'est donc pas focalisée.
  • En autre dispositif et procédé de focalisation est décrit dans BORGHESI M ET AL: "Laser-Driven Proton Beams: Acceleration Mechanism, Beam Optimization, and Radiographie Applications", IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE, IEEE SERVICE CENTER, PISCATAWAY, NJ, US, vol. 36, no. 4, août 2008 (2008-08), pages 1833-1842. Il existe donc un besoin pour un dispositif de génération capable de générer un faisceau impulsionnel focalisé de particules chargées de fort courant.
  • A cet effet, l'invention propose un procédé de génération d'un faisceau de particules chargées focalisé selon la revendication 1.
  • Grâce à ces dispositions, une structure de champs magnétiques intense et compacte peut être générée dans la cible. L'amplitude de ces champs est suffisante pour focaliser un faisceau impulsionnel de particules chargées de fort courant sans qu'ils soient sensiblement perturbés par le champ généré par ledit faisceau. La focalisation peut être stable durant toute la durée de passage du faisceau de particules chargée, par exemple plusieurs picosecondes, ce qui permet une focalisation achromatique du faisceau impulsionnel de particules chargées. L'intensité de focalisation est réglable en fonction de l'intensité de l'impulsion laser. La focalisation de particules chargées positivement ou négativement est possible simplement en changeant la direction de propagation de l'impulsion laser générant la structure de champs magnétique par rapport à la direction de propagation du faisceau impulsionnel de particules chargées.
  • Dans des modes de réalisation préférés de l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes :
    • l'impulsion laser possède une puissance sensiblement comprise entre un térawatt et une centaine de térawatts ;
    • l'impulsion laser possède une durée sensiblement comprise entre une dizaine de femtosecondes et une dizaine de picosecondes ;
    • - au cours de l'étape c), l'impulsion laser est focalisée sur la cible au niveau d'une tache focale et au cours de l'étape d), le faisceau de particules chargées traverse au moins partiellement ladite tâche focale ;
    • - la cible est faite au moins en partie d'un métal ;
    • - la cible est faite au moins en partie d'un métal choisi dans une liste comprenant l'or, le cuivre et l'aluminium ;
    • - la cible s'étend sensiblement selon un plan d'extension entre une face avant et une face arrière, lesdites faces étant opposées l'une à l'autre suivant une direction d'épaisseur perpendiculaire au plan d'extension et séparées par une épaisseur mesurée selon ladite direction d'épaisseur, et au cours de l'étape d), ledit faisceau traverse la cible sensiblement selon ladite direction d'épaisseur ;
    • - l'épaisseur de la cible est sensiblement comprise entre 500 nanomètres et une centaine de micromètres.
  • L'invention a également pour objet un dispositif de génération d'un faisceau de particules chargées focalisé selon la revendication 9.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante de plusieurs de ses formes de réalisation, données à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins joints.
  • Sur les dessins :
    • la figure 1 est une illustration schématique d'un dispositif de focalisation d'un faisceau de particules chargées de fort courant et d'un dispositif de génération de faisceau de particules chargées focalisé de fort courant selon un mode de réalisation de l'invention ;
    • la figure 2 est une illustration schématique détaillée d'une interaction entre une première impulsion laser et une première cible dans un mode de réalisation d'un procédé de génération de faisceau de particules chargées focalisé de fort courant selon un mode de réalisation de l'invention ;
    • les figures 3a et 3b sont des illustrations schématiques de deux modes de réalisation d'un dispositif de focalisation d'un faisceau de particules chargées de fort courant et d'un dispositif de génération de faisceau de particules chargées focalisé de fort courant selon l'invention ;
    • la figure 4 est une illustration schématique détaillée d'un procédé de focalisation de faisceau de particules chargées de fort courant selon un mode de réalisation de l'invention ; et
    • la figure 5 est un organigramme d'un mode de réalisation d'un procédé de génération de faisceau de particules chargées focalisé de fort courant selon un mode de réalisation de l'invention ;
  • Sur les différentes figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou similaires.
  • L'invention se rapporte à un procédé de génération d'un faisceau impulsionnel focalisé de particules chargées de fort courant 10.
  • Un tel faisceau de particules 10 peut avoir une durée de l'ordre de la picoseconde, par exemple entre quelques dizaines de femtosecondes et quelques dizaines de picosecondes, par exemple trois cent femtosecondes.
  • Un tel faisceau de particules 10 peut avoir un courant de l'ordre du kilo-ampère, par exemple de quelques ampères à quelques méga-ampères, et être formé de particules ayant une énergie pouvant aller jusqu'à quelques dizaines de mégaélectronvolts, par exemple jusqu'à soixante mégaélectronvolts.
  • Avantageusement le faisceau de particules 10 peut comprendre une fraction importante de particules avec une énergie supérieure au mégaélectronvolt, par exemple plus de la moitié des particules.
  • De tels faisceaux sont par exemple utilisés dans des applications comme le sondage de phénomènes physiques, la fusion inertielle ou la génération de radiations intenses.
  • En référence aux figures 1 à 5 , un tel faisceau 10 peut par exemple être généré par une interaction entre une impulsion laser de génération de forte puissance 20 et une cible de génération 30.
  • L'impulsion laser de génération 20 peut avoir une puissance élevée, par exemple une centaine de térawatts.
  • Le faisceau laser peut par exemple être constitué d'une impulsion ayant une énergie d'environ trente joules et une durée d'environ trois cent femtosecondes. Dans d'autres modes de réalisation, l'intensité de la première impulsion laser peut par exemple être comprise entre quelques Joules et quelques kilojoules, et la durée de l'impulsion laser peut être comprise entre quelques dizaines de femtosecondes et quelques dizaines de picosecondes.
  • L'impulsion laser de génération 20 peut être générée 1100 par une première source laser 21 de forte puissance et se propager selon une direction de propagation X L1.
  • La cible de génération 30 est une cible solide, par exemple un film d'aluminium de 15 micromètres d'épaisseur, comme décrit dans « Ultrafast laser-driven microlens to focus and energy-select mega-electron volt protons » de T. Toncian et al. (SCIENCE, vol. 312, 21 avril 2006) et les références citées dans cet article.
  • Elle peut s'étendre substantiellement selon un plan d'extension Y T1 Z T1.
  • Une interaction 1200 entre l'impulsion de génération 20 et la cible de génération 30 peut être obtenue en focalisant au moins partiellement ladite impulsion sur ladite cible.
  • Ainsi, l'impulsion laser de génération 20 est focalisée, au moyen de dispositifs de focalisation optique, sur une face avant 31 de la cible de génération 30 au niveau d'une tache focale 32 de dimensions réduites, par exemple d'environ 6 micromètres de largeur à la moitié de l'intensité maximale (« FWHM »).
  • Cette impulsion laser 20 crée un plasma 34 au niveau de la face avant 31 de la cible de génération 30 en ionisant les atomes de la cible 30 situés au niveau de la tache focale 32.
  • L'impulsion laser 20 chauffe la cible de génération 30 et communique aux électrons de ladite cible 30 une énergie thermique importante qui peut amener une partie 35 desdits électrons à traverser la cible pour s'en échapper au niveau de la face arrière 33, ladite face arrière 33 étant une face de la cible de génération 30 opposée par rapport à la face avant 31 selon une direction d'épaisseur X T1 de la première cible, ladite direction d'épaisseur X T1 étant par exemple sensiblement perpendiculaire au plan d'extension de la première cible Y T1 Z T1.
  • Dans un mode de réalisation, la direction d'épaisseur X T1 de la cible de génération 30 et la direction de propagation de la première impulsion laser X L1 peuvent être sensiblement colinéaires.
  • En variante, la direction de propagation XL1 du laser peut être inclinée par rapport à ladite direction d'épaisseur de la première cible X T1, par exemple de 45° ou plus.La première impulsion laser 20 génère donc un déplacement d'électrons 35 dans l'épaisseur de la cible de génération 30 qui constitue un faisceau d'électrons 35 mis mouvement sensiblement suivant la direction d'épaisseur X T1 de la cible de génération 30.
  • En s'étendant hors de la cible au niveau de la face arrière, ces électrons peuvent engendrer des champs électriques 36 importants au niveau de ladite face arrière 33 (de l'ordre du tera-volt par mètre).
  • Ces champs électriques 36 peuvent en particulier être suffisamment intenses pour arracher des ions 11 de la face arrière (par exemple des impuretés piégées sur la surface opposée) et engendrer 1200 ainsi un faisceau 10 de particules chargées 11.
  • L'énergie desdites particules chargées 11 peut par exemple aller jusqu'à soixante ou cent mégaélectronvolts et les doses peuvent par exemple être de l'ordre de 10^11 à 10^13 particules par impulsion.
  • Une impulsion d'un tel faisceau 10 peut par exemple durer moins d'une picoseconde, c'est-à-dire sensiblement la durée de la première impulsion laser et le courant généré peut ainsi être de l'ordre de quelques kilo-ampères à quelques centaines de kilo-ampères.
  • Le faisceau d'électrons 35 mis mouvement dans l'épaisseur de la cible de génération 30 par la première impulsion laser 20 peut être divergent. Le faisceau de particules 10 chargées créé peut ainsi lui aussi être divergent.
  • Ceci nécessite de focaliser ledit faisceau de particules pour pouvoir l'utiliser dans plusieurs applications dont celles mentionnées ci-avant.
  • Ainsi, en référence aux figures 1 à 5 , un procédé de génération d'un faisceau de particules chargées focalisé de fort courant peut comporter les étapes suivantes.
  • Une étape a) comprend la génération d'un faisceau de particules 10, par exemple au moyen des opération décrites ci-avant.
  • Une seconde étape b) 2100 comprend l'émission d'une seconde impulsion laser 40.
  • Cette seconde impulsion laser 40 peut avoir une puissance de quelques térawatts, quelques dizaines de térawatts ou plus.
  • Cette seconde impulsion laser 40 peut avoir une durée comprise entre une dizaine de femtosecondes et quelques dizaines de picosecondes.
  • La seconde impulsion laser 40 peut être émise par une seconde source laser 41, comme illustré sur la figure 1 ou, alternativement, elle peut être émise par la première source laser 21 de forte puissance comme illustré sur la figure 3a et par exemple refocalisée au moyen de dispositifs de focalisation 42 tels par exemple que des miroirs en contournant la première cible 30.
  • La seconde étape b) 2100 comprend l'augmentation du contraste laser de ladite seconde impulsion laser 40 tel qu'il va maintenant être décrit plus en détail.
  • La seconde impulsion laser 40 comporte des pré-impulsions de seconde impulsion laser 40 se propageant juste avant l'impulsion laser principale de la seconde impulsion laser 40.
  • Un dispositif d'augmentation du contraste laser peut en particulier augmenter le contraste laser de la seconde impulsion laser 40.
  • Dans un mode de réalisation de l'invention, un dispositif d'augmentation du contraste laser est un dispositif apte à diminuer de façon importante l'intensité des pré-impulsions de la seconde impulsion laser 40 par rapport à l'impulsion laser principale de la seconde impulsion laser 40.
  • On définit par exemple un rapport entrant comme étant un rapport entre l'intensité maximale de l'impulsion laser principale de la seconde impulsion laser 40 et l'intensité maximale des pré-impulsions de seconde impulsion laser 40, pour une seconde impulsion laser 40 se propageant en amont du dispositif d'augmentation du contraste laser.
  • On définit par exemple en outre un rapport sortant comme étant un rapport entre l'intensité maximale de l'impulsion laser principale de la seconde impulsion laser 40 et l'intensité maximale des pré-impulsions de seconde impulsion laser 40 pour une seconde impulsion laser 40 se propageant en aval du dispositif d'augmentation du contraste laser.
  • Un dispositif d'augmentation du contraste laser peut par exemple être tel que le rapport sortant est environ dix fois supérieur au rapport entrant.
  • Dans une variante, un dispositif d'augmentation du contraste laser peut par exemple être tel que le rapport sortant est environ cent fois supérieur au rapport entrant
  • Le dispositif d'augmentation du contraste laser peut en particulier être intégré à un dispositif de focalisation 42 de la façon suivante.
  • Le dispositif de focalisation 42 peut par exemple comprendre une lame transparente pour la longueur d'onde du laser, par exemple une lame de verre transparente.
  • La seconde impulsion laser 40 peut frapper ledit dispositif de focalisation 42 avec un angle d'incidence écarté de la normale.
  • La seconde impulsion laser 40 peut en outre avoir une fluence telle que des pré-impulsions de la seconde impulsion laser 40 soient d'intensité suffisamment faible pour passer à travers ledit dispositif de focalisation 42, ou n'être réfléchies que de quelques pourcents d'intensité.
  • L'intensité de l'impulsion laser principale de la seconde impulsion laser 40 étant plus forte, l'impulsion laser principale de la seconde impulsion laser 40, en particulier un front de montée de ladite l'impulsion laser principale de la seconde impulsion laser 40, peut déclencher un plasma sur une surface du dispositif de focalisation 42.
  • Ledit plasma sur la surface du dispositif de focalisation 42 peut en particulier être apte à réfléchir, par exemple à réfléchir de cinquante pourcents à quatre-vingt pourcents d'intensité, l'impulsion laser principale de la seconde impulsion laser 40 en une seconde impulsion laser réfléchie.
  • Par « plasma sur une surface du dispositif de focalisation », on entend ainsi un miroir plasma apte à réfléchir au moins une portion de l'impulsion laser principale de la seconde impulsion laser 40.
  • Ladite seconde impulsion laser réfléchie peut alors constituer la seconde impulsion laser 40 refocalisée au moyen de dispositifs de focalisation 42 pour la suite de la présente description.
  • Un tel dispositif d'augmentation du contraste laser, comprenant une lame transparente, peut par exemple être tel que le rapport sortant est environ dix fois supérieur au rapport entrant.
  • Un dispositif d'augmentation du contraste laser, comprenant une lame transparente munie d'un traitement antireflet, peut par exemple être tel que le rapport sortant est environ cent fois supérieur au rapport entrant.
  • Une troisième étape c) 2200 comporte la génération d'une structure de champ magnétique focalisante 60 dans une seconde cible 50 au moyen d'une interaction de la seconde impulsion laser 40 avec ladite cible 50.
  • La seconde cible 50 est une cible solide. Elle peut être une cible métallique.
  • La seconde cible 50 peut par exemple comprendre une partie en or, en aluminium ou en cuivre.
  • La seconde cible 50 peut par exemple s'étendre sensiblement selon un plan d'extension YT2ZT2 . et comporter une face avant 51 et une face arrière 53 opposées l'une par rapport à l'autre selon une direction d'épaisseur XT2 perpendiculaire audit plan d'extension YT2ZT2 .
  • Lesdites faces avant 51 et arrière 53 peuvent être séparées par une épaisseur mesurée selon la direction d'épaisseur XT2 et par exemple comprise entre 500 nanomètres et une centaine de micromètre, par exemple d'une dizaine de micromètres.
  • Une interaction entre la seconde impulsion 40 et la seconde cible 50 peut être obtenue en focalisant au moins partiellement ladite impulsion sur ladite cible.
  • Ainsi, la seconde impulsion laser 40 peut être focalisée sur la face avant 51 de la seconde cible en une tache focale 52 de dimensions réduites, par exemple d'environ 6 micromètres de largeur à la moitié de l'intensité maximale (« FWHM »).
  • Dans un mode de réalisation, la seconde impulsion laser 40 peut se propager suivant une direction de propagation XL2 , par exemple sensiblement colinéaire à la direction d'épaisseur horizontale XT2 .
  • En variante, la direction de propagation XL2 du laser peut être inclinée par rapport à ladite direction d'épaisseur de la seconde cible XT2 .
  • En référence à la figure 4 , l'interaction entre la seconde impulsion laser 40 et la seconde cible 50 créé un premier déplacement d'électrons 55 selon un mécanisme similaire au mécanisme décrit ci-avant relativement à l'interaction entre la première impulsion laser et la première cible.
  • Dans un mode de réalisation, la face avant 51 de la seconde cible 50 peut être sculptée, par exemple par des motifs en relief, de façon à contrôler ledit premier déplacement d'électrons 55.
  • Ce premier déplacement d'électrons 55 peut être dirigé de la face avant 51 vers la face arrière 53 de la seconde cible 50 et peut générer des courants de déplacement dans la seconde cible 50, orientés sensiblement selon la direction d'épaisseur XT2 de la seconde cible, et localisés dans le prolongement de la tache focale 52 en suivant la direction d'épaisseur XT2 de la seconde cible 50.
  • Du fait dudit premier déplacement d'électrons 55, la densité électronique dans une zone 54 de la seconde cible 50 située à proximité de la tache focale 52 sur la face avant 51 de la seconde cible peut être abaissée.
  • Cet abaissement de la densité électronique peut engendrer un second déplacement d'électrons 56, cette fois ci depuis l'ensemble de la seconde cible 50 vers ladite zone 54 de la seconde cible située à proximité de la tache focale, de façon à rétablir la neutralité électronique dans ladite zone 54.
  • Ce second déplacement d'électrons 56 peut générer des courants de retour dans la seconde cible.
  • Ces courants de retour peuvent être orientés différemment des courants de déplacement.
  • Les courants de déplacement et les courants de retour peuvent alors engendrer des champs magnétiques 60 dans la seconde cible 50.
  • Ces champs magnétiques 60 peuvent constituer une structure de champs magnétique focalisante 60 qui va maintenant être décrite.
  • Les courants de déplacement peuvent être orientés selon la direction d'épaisseur XT2 de la seconde cible 50, les champs magnétiques 60 peuvent donc être perpendiculaires à ladite direction d'épaisseur XT2 de la seconde cible 50.
  • Les courants de retour peuvent être orientés au moins en partie selon une direction radiale à la direction d'épaisseur XT2 de la seconde cible (c'est-à-dire ayant au moins une composante non-nulle selon une direction radiale à la direction d'épaisseur X T2), lesdits champs magnétiques 60 peuvent ainsi comporter au moins une composante non-nulle selon une direction circonférentielle (ou ortho-radiale), perpendiculaire à la direction d'épaisseur XT2 de la seconde cible 50 et à une direction radiale à ladite direction d'épaisseur XT2 .
  • Les champs magnétiques 60 situés de part et d'autre d'une direction axiale sensiblement colinéaire à la direction d'épaisseur XT2 de la seconde cible 50 peuvent ainsi comporter des composantes de sens opposés.
  • La structure de champs magnétique focalisante 60 formée par lesdits champs magnétiques 60 peut ainsi présenter une symétrie axiale par rapport à un axe colinéaire à la direction d'épaisseur XT2 de la seconde cible 50.
  • Ainsi, la structure de champs magnétique focalisante 60 formée par les champs magnétiques 60 peut avoir une géométrie toroïdale ou solénoïdale autour de la direction d'épaisseur XT2 de la seconde cible 50.
  • Au cours d'une quatrième étape d) 2300, un faisceau de particules chargées de fort courant 10 tel que celui décrit ci-avant peut pénétrer au moins partiellement dans ladite structure de champ magnétique focalisante 60.
  • Le faisceau de particules 10 peut par exemple se propager selon une direction de propagation XP , par exemple une direction de propagation sensiblement colinéaire avec la direction d'épaisseur XT2 de la seconde cible 50.
  • La direction de propagation du faisceau de particules 10 peut par exemple être entendue comme étant la moyenne vectorielle des directions de propagation des particules 11 composant le faisceau.
  • Le faisceau de particules 10 peut être placé de façon à pénétrer au moins partiellement dans la seconde cible 50, par exemple au niveau de sa face avant 51, par exemple au niveau de la tache focale 52 située sur la face avant 51.
  • Les particules 11 composant le faisceau 10 étant chargées, elles peuvent être déviées par la structure de champs magnétique focalisante 60.
  • En particulier, la structure de champ magnétique focalisante 60 générée par l'interaction entre la seconde impulsion laser 40 et la seconde cible 50 peut ainsi permettre de focaliser ledit faisceau de particules chargées 10 en déviant au moins une fraction importante des particules du faisceau 11.
  • Lesdites particules 11 peuvent être en particulier déviées en direction de la direction de propagation XP dudit faisceau 10. C'est-à-dire que les particules 11 peuvent être déviées selon une direction radiale à la direction de propagation XP du faisceau.
  • Selon le signe de la charge de chacune des particules 11 composant le faisceau de particules 10, la structure de champ magnétique focalisante 60 peut dévier ladite particule 11 du faisceau en direction de la direction de propagation XP dudit faisceau ou dans la direction opposée, c'est-à-dire focaliser ou défocaliser ledit faisceau de particules.
  • Dans un mode de réalisation alternatif illustré figure 3b , le faisceau de particule 10 peut être placé de façon à pénétrer au moins partiellement dans la seconde cible 50 au niveau de sa face arrière 53 et se propager dans la seconde cible 50 en direction de la face avant 51.
  • Dans ce mode de réalisation, la structure de champs magnétique focalisante 60 est inverse de la structure 60 décrite dans le mode de réalisation des figures 1 et 3a , c'est-à-dire que les directions des champs magnétiques 60 de la structure sont opposées aux directions des champs magnétiques 60 de la structure du mode de réalisation précédent. La déviation de chacune de particules du faisceau 11 est ainsi inversée par rapport au mode de réalisation précédent et le faisceau 10 sera défocalisé ou focalisé selon la charge des particules 11 le composant de façon inverse par rapport au mode de réalisation des figures 1 et 3a .
  • La distance de focalisation d'un tel dispositif de focalisation 100 ou de génération 200 peut être modulée.
  • Ainsi par exemple, en diminuant l'intensité du second laser 40, les déplacements d'électrons 55, 56 et donc les courants générés dans la seconde cible 50 peuvent être diminués. De cette façon, les champs magnétiques générés 60 peuvent être diminués et la déviation des particules 11 du faisceau de particules 10 sera plus faible.
  • La focalisation réalisée par le dispositif de focalisation 100 ou le dispositif de génération 200 peut ainsi être moins importante et la distance focale plus élevée.
  • A l'inverse, en augmentant par exemple l'intensité du second laser 40, la focalisation réalisée par le dispositif de focalisation 100 ou le dispositif de génération 200 peut être augmentée et la distance focale diminuée.
  • L'utilisation de matériaux différents pour la seconde cible 50 permet également d'influencer la focalisation réalisée par le dispositif de focalisation 100 ou le dispositif de génération 200.
  • L'homme du métier pourra choisir différents matériaux permettant de varier l'importance du champ magnétique généré, en particulier en fonction de la résistivité dudit matériau et de la dynamique d'ionisation et de chauffage du matériau tel que décrit par exemple dans l'article « Dynamic Control over Mega-Ampere Electron Currents in Metals Using Ionization-Driven Resistive Magnetic Field » de Y. Sentoku et al. (Physical Review Letters, vol. 107, 135005, 2011) et les références citées dans cet article.
  • Un dispositif de focalisation d'un faisceau de particules chargées de haute intensité 100 ou un dispositif de génération de faisceau de particules chargées focalisé de haute intensité 200 selon un mode de réalisation de l'invention peuvent en outre comporter différents modules additionnels.
  • Ainsi, une chambre à vide 70 peut accueillir lesdits dispositifs 100, 200 et en particulier au moins un laser 40 et une cible 50.
  • La chambre à vide 70 peut être munie d'une fenêtre 71 permettant audit faisceau de particules chargées 10 de quitter la chambre à vide.
  • La chambre à vide 70 peut être munie d'un collimateur 80 permettant d'arrêter des rayonnements ou des particules périphériques à la sortie du dispositif 100, 200.
  • La chambre à vide 70 peut être munie d'un module d'arrêt de radiations, par exemple comprenant un matériau à numéro atomique élevé tel que du fer, du plomb ou de l'uranium.
  • La chambre à vide 70 peut également être munie d'un module de déviation de faisceau permettant de séparer le faisceau de particules chargée et des radiations ayant une direction de propagation proche, par exemple un module de déviation à base de champs magnétiques.
  • La chambre à vide 70 peut être mise et maintenue sous vide au moyen d'une ou de plusieurs pompes à vide 72.

Claims (9)

  1. Procédé de génération d'un faisceau de particules chargées focalisé comportant au moins les étapes de
    a) générer (1100, 1200) un faisceau de particules chargées (10), ladite génération comportant
    l'émission (1100) d'une impulsion laser de génération (20), et
    la génération (1200) d'un faisceau de particules non-focalisé (10) au moyen d'une interaction de ladite impulsion laser de génération avec une cible solide de génération (30),
    b) émettre (2100) une seconde impulsion laser (40), la seconde impulsion laser comportant des pré-impulsions et une impulsion laser principale;
    c) générer (2200) une structure de champ magnétique focalisante (60) dans une seconde cible solide (50) au moyen d'une interaction de ladite seconde impulsion laser avec ladite seconde cible; et
    d) faire pénétrer (2300) au moins partiellement le faisceau de particules chargées dans ladite structure de champ magnétique focalisante,
    caractérisé en ce que, au cours de l'étape b), on augmente un contraste laser de la seconde impulsion laser (40) par diminution de l'intensité desdites pré-impulsions par rapport à ladite impulsion laser principale.
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la seconde impulsion laser (40) possède une puissance sensiblement comprise entre un térawatt et une centaine de térawatts.
  3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, dans lequel la seconde impulsion laser (40) possède une durée sensiblement comprise entre une dizaine de femtosecondes et une dizaine de picosecondes.
  4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel au cours de l'étape c), la seconde impulsion laser (40) est focalisée sur la seconde cible (50) au niveau d'une tache focale (52) et dans lequel, au cours de l'étape d), le faisceau de particules chargées (10) traverse au moins partiellement ladite tâche focale.
  5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la seconde cible (50) est faite au moins en partie d'un métal.
  6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel la seconde cible (50) est faite au moins en partie d'un métal choisi dans une liste comprenant l'or, le cuivre et l'aluminium.
  7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la seconde cible (50) s'étend sensiblement selon un plan d'extension (YT2, ZT2) entre une face avant (51) et une face arrière (53), lesdites faces étant opposées l'une à l'autre suivant une direction d'épaisseur (XT2) perpendiculaire au plan d'extension et séparées par une épaisseur mesurée selon ladite direction d'épaisseur,
    et dans lequel, au cours de l'étape d), ledit faisceau (10) traverse la seconde cible sensiblement selon ladite direction d'épaisseur.
  8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 7, dans lequel l'épaisseur de la seconde cible (50) est sensiblement comprise entre 500 nanomètres et une centaine de micromètres.
  9. Dispositif de génération d'un faisceau de particules chargées focalisé comportant
    des moyens de générer (21, 30) un faisceau de particules chargées (10), les moyens de générer un faisceau de particules chargées (10) comportant :
    - une source laser (21, 41) pour émettre une impulsion laser de génération (20);
    - une cible solide de génération (30) pour générer un faisceau de particules chargées (10) lors d'une interaction de ladite impulsion laser de génération avec ladite cible de génération,
    le dispositif comporte en outre
    - une source laser (21 ; 41) pour émettre une seconde impulsion laser (40), la seconde impulsion laser comportant des pré-impulsions et une impulsion laser principale ;
    - une seconde cible solide (50) pour générer une structure de champ magnétique focalisante (60) au moyen d'une interaction de ladite seconde impulsion laser avec ladite seconde cible, ledit faisceau de particules chargées pénétrant au moins partiellement dans ladite structure de champ magnétique,
    caractérisé en ce que le dispositif de génération d'un faisceau de particules chargées focalisé comporte en outre un dispositif d'augmentation du contraste laser (42) pour augmenter un contraste laser de l'impulsion laser (40) par diminution de l'intensité desdites pré-impulsions par rapport à ladite impulsion laser principale.
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