EP3216324B1 - Lentille laser plasma - Google Patents

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EP3216324B1
EP3216324B1 EP15788096.4A EP15788096A EP3216324B1 EP 3216324 B1 EP3216324 B1 EP 3216324B1 EP 15788096 A EP15788096 A EP 15788096A EP 3216324 B1 EP3216324 B1 EP 3216324B1
Authority
EP
European Patent Office
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gas cloud
gas
collimation
cloud
electrons
Prior art date
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Active
Application number
EP15788096.4A
Other languages
German (de)
English (en)
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EP3216324A1 (fr
Inventor
Cédric Thaury
Rémi LEHE
Victor Malka
Emilien GUILLAUME
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.)
Ecole Polytechnique
Ecole Nationale Superieure des Techniques Avancees Bretagne
Original Assignee
Ecole Polytechnique
Ecole Nationale Superieure des Techniques Avancees Bretagne
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Filing date
Publication date
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Publication of EP3216324A1 publication Critical patent/EP3216324A1/fr
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Publication of EP3216324B1 publication Critical patent/EP3216324B1/fr
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J23/00—Details of transit-time tubes of the types covered by group H01J25/00
    • H01J23/02—Electrodes; Magnetic control means; Screens
    • H01J23/08—Focusing arrangements, e.g. for concentrating stream of electrons, for preventing spreading of stream
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J25/00—Transit-time tubes, e.g. klystrons, travelling-wave tubes, magnetrons
    • H01J25/02—Tubes with electron stream modulated in velocity or density in a modulator zone and thereafter giving up energy in an inducing zone, the zones being associated with one or more resonators
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H15/00—Methods or devices for acceleration of charged particles not otherwise provided for, e.g. wakefield accelerators

Definitions

  • the present disclosure relates to a device and a method for collimating or focusing an electron bunch.
  • the present invention relates to a device and a method for emitting a bunch of collimated or focused relativistic electrons.
  • relativistic electron is meant an electron whose speed of movement is not negligible compared to the speed of light, in particular whose speed is greater than 90% of the speed of light.
  • laser-plasma electron acceleration method. This process makes it possible to generate a bundle of high energy electrons - typically a few hundred MeV - by focusing an intense laser pulse in a gas jet.
  • the laser pulse creates a wave of electric and magnetic fields that accelerate electrons in the gas.
  • This process has many advantages over conventional electron acceleration techniques.
  • this method can be implemented by means of a compact device, a distance of a few millimeters sufficient to accelerate the electrons to an energy level of a few hundred MeV, while several tens of meters are necessary to reach a such energy level with conventional processes.
  • laser-plasma acceleration generates extremely short electron packets, conventionally of the order of a few femtoseconds, and of very limited size, conventionally of a few micrometers. Bundles of electrons with such characteristics are difficult to generate with conventional accelerators.
  • a first aspect of the invention proposes a device for emitting a bunch of collimated or focused relativistic electrons according to claim 1.
  • focusing of an electron beam is meant the concentration of this electron beam.
  • collimation of an electron beam is meant the orientation of this beam in one direction.
  • a relativistic electron bunch is collimated or focused by means of a wave of focusing electric and magnetic fields to which the relativistic electron bunch is subjected.
  • This wave of electric and magnetic fields is formed by a laser pulse propagating in a cloud of gas. This laser pulse locally ionizes the gas cloud, forming electric fields and magnetic focusing. This wave of focusing fields travels following the laser pulse.
  • the device for emitting a bundle of collimated or focused relativistic electrons can comprise a single laser adapted to emit a focused laser pulse at a time in the first cloud. gas to create there a first wave of electric and magnetic fields accelerating electrons present in the gas, and in the gas cloud of the collimation or focusing device to create there a wave of focusing electric and magnetic fields.
  • the device for emitting a bundle of collimated or focused relativistic electrons comprises two distinct lasers adapted to emit two distinct laser pulses, one of which is focused in the first gas cloud to create there a first wave of electric and magnetic fields accelerating electrons present in the gas, and the other of which is focused in the gas cloud of the collimation or focusing device to create there a wave of focusing electric and magnetic fields.
  • the electronic densities of the first and second gas cloud can be between our 1.10 17 cm -3 and 1.10 20 cm -3 .
  • the density of the first gas cloud is chosen mainly as a function of the characteristics of the laser.
  • the density of the second gas cloud is chosen mainly as a function of the characteristics of the laser, the length of the second gas cloud and the distance between the two gas clouds.
  • the density of the second cloud can in particular be lower than that of the first gas cloud. Alternatively, however, the density of the two gas clouds is substantially equal.
  • the length and the electron density of the gas cloud of the collimation or focusing device are mutually related as defined in claim 1.
  • the distance between the first gas cloud and the gas cloud of the collimation or focusing device is greater than 300 ⁇ m and / or less than 5 mm, preferably less than 2 mm.
  • the device for emitting a collimated or focused relativistic electron packet may include at least one of a capillary, a discharge capillary, a capillary leak, a sonic nozzle, a supersonic nozzle and a gas cell, to achieve each gas cloud.
  • the width of the gas cloud of the collimation or focusing device is between 10 ⁇ m and 2 mm.
  • the gas cloud of the collimating or focusing device may be larger than 2 mm.
  • only the upstream portion of the gas cloud, in the direction of propagation of the electron packet, has a real effect of collimating or focusing the electron packet.
  • the laser pulse emitted by the laser of the collimation or focusing device may have a duration of, for example, between 5 and 500 femtoseconds, and a peak power of, for example, between 10 terawatt and 10 petawatt.
  • the invention provides a method of emitting a bunch of collimated or focused relativistic electrons according to claim 8.
  • the distance between the first gas cloud and the second gas cloud may be greater than 300 ⁇ m and / or less than 5 mm, preferably less than 2 mm.
  • the electronic densities of the first and second gas cloud can be between our 1.10 17 cm -3 and 1.10 20 cm -3 .
  • the density of the first gas cloud is chosen mainly as a function of the characteristics of the laser.
  • the density of the second gas cloud is chosen mainly as a function of the characteristics of the laser, the length of the second gas cloud and the distance between the two gas clouds.
  • the length and electron density of the gas cloud of the collimating or focusing device are mutually related as defined in claim 8.
  • the width of the gas cloud or of the second gas cloud may be between 10 ⁇ m and 2 mm.
  • the second laser pulse can have a duration of, for example, between 5 and 500 femtoseconds, and a peak power of, for example, between 10 terawatt and 10 petawatt.
  • a collimating or focusing device 10 of a relativistic electron bunch 12 comprises a cloud of gas 14, ionizable, formed here by means of a nozzle 16, and a laser (not shown) adapted to emit a laser pulse 18 focused in the gas cloud 14 to create there a wave of focusing electric and magnetic fields.
  • the laser pulse 18 ionizes the gas in the gas cloud 14. In doing so, the laser pulse 18 forms in its wake 20, focusing electric and magnetic fields 22 (in English "focusing wakefield ").
  • the laser pulse 18 moving in the gas cloud created a wave of focusing electric and magnetic fields 22, in the wake 20 of the laser pulse 18.
  • These focusing electric and magnetic fields 22, to which the relativistic electron packet 12 is subjected make it possible to collimate or to focus the relativistic electron bunch 12.
  • the laser pulse emitted by the laser can have a duration of between 5 and 500 femtoseconds.
  • the emitted laser pulse can also have a peak power of between 10 terawatt and 10 petawatt.
  • the width of the gas cloud is for example between 10 ⁇ m and 2 mm.
  • Such a device makes it possible to implement the method of collimating or focusing a following bundle of relativistic electrons. Initially, a laser pulse 18 is emitted, focused in a cloud of ionizable gas 14, in order to create there a wave of focusing electric and magnetic fields 22. Then the relativistic electron packet 12 is subjected to said wave of electric fields. and magnetic focusing 22.
  • the pair length of the gas cloud 14, electron density in the gas cloud 14 is chosen to limit the variation in the energy of the electrons between the entry into the gas cloud 14 and the exit of this gas cloud 14.
  • / E input between the input energy E of the electrons entering the gas cloud 14 and the output energy E of the electrons at the exit of the gas cloud 14, is advantageously less than 50%, better still less than 40%, better still less than 30%, more preferably less than 20% and even more preferably less than 10%.
  • the pair length of the gas cloud 14 electron density in the gas cloud 14 is chosen to reduce by a factor equal to the ratio of the divergence of the beam of electrons divided by the energy of electrons to the power 3 ⁇ 4.
  • this torque can be chosen to reduce this factor by a ratio of two or, preferably, by a ratio greater than two, between the entry into the gas cloud 14 and the exit from this gas cloud 14.
  • the distance between the source of the electron beam 12 and the gas cloud 14 can also be determined, in combination with the length torque of the gas cloud 14, electron density in gas cloud 14, to reduce this factor by a factor of two or, preferably, by a factor greater than two.
  • the pair length of the gas cloud 14 electron density in the gas cloud 14 is chosen to reduce the dimensions of the electron beam in at least one plane. transverse to the direction of propagation of the beam, preferably in all the planes transverse to the direction of propagation of the beam, at the outlet of the gas cloud 14 with respect to its dimensions at the inlet of the gas cloud 14.
  • these dimensions in a transverse plane preferably in all the transverse planes, are reduced by a factor of two, more preferably by a factor greater than two.
  • the distance between the source of the electron beam 12 and the gas cloud 14 can also be determined, in combination with the pair length of the gas cloud 14, electron density in the gas cloud 14, to reduce the dimensions of the electron beam 12 in a transverse plane, preferably in all transverse planes, by a factor of two or, preferably, by a factor greater than two.
  • the figure 2 represents a device for emitting a packet of collimated or focused relativistic electrons 100 in order to carry out the method according to the invention, and implementing a collimation or focusing device 10 as illustrated in figure 1 .
  • this device 100 firstly comprises a first gas cloud 24, formed here by means of a first nozzle 26, a laser (not shown) adapted to emit a laser pulse 18 focused in the first gas cloud 24.
  • the laser pulse 18 propagating in the first gas cloud 24 locally ionizes this gas and forms, in its wake, accelerating electric and magnetic fields which apply to the electrons present in the first gas cloud 24.
  • a wave of accelerating electric and magnetic fields is thus created, these electric and magnetic fields being applied to the electrons in the groove of the laser pulse 18 .
  • the electric and magnetic fields formed in the wake of the laser pulse are of the so-called “bubble” or “cavitation” regime ("bubble regime " or " blow-out regime " in English).
  • Such a regime of the bubble corresponds to a laser intensity clearly greater than 2.10 18 W.cm -2 , to a diameter of the laser of the order of the plasma wavelength of the gas cloud, and to a duration of the laser pulse of the order of magnitude of the plasma period of the gas cloud.
  • the density of the gas in the first gas cloud can be chosen relatively high, for example greater than 10 19 molecules. per cm 3 .
  • electrons can be injected using a heavier gas, typically nitrogen or argon, while helium or hydrogen is generally used, or a mixture of. gas, and / or using one or more other laser pulses, and / or placing an object on the gas jet outlet.
  • a heavier gas typically nitrogen or argon
  • helium or hydrogen is generally used, or a mixture of. gas, and / or using one or more other laser pulses, and / or placing an object on the gas jet outlet.
  • This phase portrait in the form of an ellipse elongated in the direction ⁇ x, demonstrates the relatively large divergence of the electron packet 12 in the first gas cloud 24 and, above all, at its exit.
  • This relativistic electron packet 12 then propagates outside this first gas cloud 24, towards a second gas cloud 14 of a collimation or focusing device 10 as described previously with regard to figure 1 .
  • the relativistic electron packet 12 propagates freely in a vacuum.
  • the term “vacuum” preferably means an electron density between the two gas clouds, less than 40%, preferably less than 20% and even more preferably less than 1% of the electron density of the second gas cloud.
  • the distance d between the first and second gas clouds 24, 14 is for example greater than 300 ⁇ m and / or less than 5 mm, preferably less than 2 mm.
  • phase portrait 30 of the figure 4 As illustrated by the phase portrait 30 of the figure 4 , during this vacuum propagation of the electron packet, the electrons diffract freely and, in the absence of electric and magnetic fields in the wake of the laser pulse 18, the electron packet 12 widens radially . This results in a stretching of the phase portrait in the X direction, but with constant values of ⁇ x.
  • the relativistic electron packet 12 enters the second gas cloud 14.
  • the laser pulse 18 creates, in its wake, a new wave of electric fields and magnetic which have a focusing or collimating effect.
  • This laser pulse 18 and the second gas cloud 14 form a collimating or focusing device 10 as already described with regard to figure 1 .
  • the electric and magnetic fields formed in the wake of the laser pulse 18 in the second gas cloud 14 are conventionally in the linear or quasi-linear regime.
  • the electric and magnetic fields in the second gas cloud are therefore weaker a priori than in the first gas cloud.
  • the relativistic electron bundle rotates more slowly in the phase portrait.
  • the 32 phase portrait of the electron bundle is aligned with the X axis and the divergence is minimal.
  • a collimation effect is obtained when the gas cloud stops at these points.
  • the length of the second gas cloud 14 the distance d between the two jets and the electron density in the second gas cloud 14 can be determined to obtain a minimum divergence value of the electron bundle 12. at the outlet of the second gas cloud 14.
  • the length of the second gas cloud 14 and the distance between the first and second gas clouds are fixed, and the density of the gas in the second gas cloud is modified until a collimation effect or optimal focus.
  • the triplet length of the second gas cloud 14, distance d between the two gas clouds and electron density in the second gas cloud 14 is chosen to limit the variation in the energy of the electrons between the entry into the second cloud of gas 14 and the output of this second gas cloud 14.
  • / E input between the energy E input of the electrons at the entrance to the second gas cloud 14 and the energy E output of the electrons at the output of the second gas cloud 14 is advantageously less than 50%, better still less than 40%, better still less than 30%, more preferably less than 20% and even more preferably less than 10%.
  • the triplet length of the second gas cloud 14 is chosen to decrease by a factor equal to the ratio of the divergence of the electron beam, divided by the energy of the electrons to the power 3 ⁇ 4.
  • this triplet can be chosen to reduce this factor by a ratio of two or, preferably, by a ratio greater than two, between the outlet of the first gas cloud 24 and the outlet of the second gas cloud 14.
  • the triplet length of the second gas cloud 14 is chosen to reduce the dimensions of the electron beam in at least one plane transverse to the direction of propagation of the beam, preferably in all the planes transverse to the direction of propagation of the beam, at the outlet of the second gas cloud 14 with respect to its dimensions at the outlet of the first gas cloud 24.
  • these dimensions in a transverse plane preferably in all the transverse planes, are reduced by a factor of two, more preferably by a factor greater than two.
  • the gas of the first gas cloud is denser than the gas of the gas cloud of the collimation or focusing device, the density of the first gas cloud being for example greater than 5.10 18 molecules per cm 3 , preferably greater than at 10 19 molecules per cm 3 , the density of the gas cloud of the collimation or focusing device being for example less than 5.10 18 molecules per cm 3 , preferably less than 10 18 molecules per cm 3 .
  • the density values can vary significantly depending on the properties of the laser pulse and the electrons.
  • the device of Fig. 100 also works if the density of the second gas cloud is equal to or greater than that of the first gas cloud.
  • the device 100 makes it possible to implement the method of emitting a packet of collimated or focused relativistic electrons as follows.
  • a focused laser pulse is emitted in a first gas cloud, ionizable, to create there a wave of electric and magnetic fields of acceleration of electrons present in the gas and thus to form a relativistic electron packet which is propagates outside the first gas cloud.
  • the laser pulse also being focused in a second cloud of ionizable gas, it creates there a wave of focusing electric and magnetic fields.
  • the first gas cloud is distant from the second ionizable gas cloud.
  • the relativistic electron packet is subjected to the wave of focusing electric and magnetic fields.
  • the figure 6 represents a device for emitting a packet of collimated or focused relativistic electrons 200 according to the invention
  • This device 200 differs from the device 100 of the figure 2 essentially in that it implements two laser pulses 18, 34, originating from two distinct lasers and separated upstream from the first gas cloud 24.
  • the first laser is thus adapted to emit a first laser pulse 34 focused in the first gas cloud 24, ionizable, to create there a first wave of electric and magnetic fields of acceleration of electrons present in the gas and thus to form a packet. of relativistic electrons 12 which propagates outside the first gas cloud 24.
  • a second laser is also adapted to emit a second laser pulse 18 focused in the second gas cloud 14, ionizable, to create a second wave therein electric and magnetic fields, collimation or focusing of the relativistic electron bunch 12.
  • the second laser pulse precedes the first laser pulse by a few tenths of femtoseconds.
  • This delay between the two laser pulses 34, 18 can be adjusted so that the electron packet 12 is in a focusing zone of the wave of electric and magnetic fields produced in the second gas cloud 14 by the second laser pulse 18. .
  • the density of the gas of the second gas cloud is preferably chosen to be relatively low, for example less than 10 18 molecules per cm 3 so that the wake of the second laser pulse encompasses the whole of the electron packet 12.
  • the length of the second cloud of gas 14 is for example 100 ⁇ m.
  • the two laser pulses can be of different wavelengths. Preferably, however, they have the same wavelength.
  • the first and second gas clouds are here too distant by a distance of the order of a millimeter, so that the relativistic electron packet propagates in a vacuum in the space between these two gas clouds.
  • this order of magnitude is not limiting, and the distance between the two gas clouds can be determined as explained above in the case of device 100.
  • This device for emitting a collimated or focused relativistic electron packet 200 operates substantially like the emission device 100.
  • the phase portrait of the electron packet exhibits the same variations in this device 200 as in the device. 100.
  • the electric and magnetic fields in the second gas cloud are stronger in this device 200 than in the case of the device 100.
  • the second gas cloud in the device 200 can be shorter than in the case of the device. emission 100.
  • this device 200 exhibits fewer aberrations than the device 100.
  • the second laser pulse corresponds to the regime of the bubble, in the second gas cloud.
  • the focusing electric and magnetic fields in this second gas cloud are proportional to the distance from the axis of propagation of the second laser pulse.
  • This allows a more efficient collimation of the relativistic electron packet, in particular compared to the device 100, in which the laser pulse in the second gas cloud corresponds to the quasi-linear regime. Consequently, the focusing electric and magnetic fields in the second gas cloud of this device 100 are proportional to the distance from the axis only close to the axis and in an approximate manner. Electrons with larger propagation angles may then not see the same focusing fields as electrons with weak propagation angles. The collimation length can then depend on the angle of initial propagation of the electrons, which can limit the effect of collimation.
  • the device 200 also makes it possible to better focus high energy electrons, for example those whose energy is greater than 1 GeV.
  • the fields in the device 100 are in fact generally too weak to effectively focus these electrons.
  • This device 200 makes it possible to implement the method of emitting a packet of collimated or focused relativistic electrons according to the second embodiment of the method of the invention.
  • a first laser pulse focused in a first cloud of ionizable gas to create a wave of electric and magnetic fields accelerating electrons present in the gas and thus form a relativistic electron packet which propagates outside of the first cloud of ionizable gas.
  • a second focused laser pulse is emitted in a second cloud of ionizable gas to create there a wave of focusing electric and magnetic fields, the first cloud of ionizable gas being distant from the second cloud of ionizable gas.
  • the relativistic electron bunch is subjected to the wave of focusing electric and magnetic fields.
  • the or each gas cloud can be obtained by implementing at least one of a capillary, a discharge capillary, a capillary leak, a sonic nozzle, a supersonic nozzle and a gas cell, to achieve every gas cloud.

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Description

  • La présente divulgation concerne un dispositif et un procédé de collimation ou de focalisation d'un paquet d'électrons.
  • En particulier, la présente invention concerne un dispositif et un procédé d'émission d'un paquet d'électrons relativistes collimatés ou focalisés.
  • Par « électron relativiste », on entend un électron dont la vitesse de déplacement est non négligeable par rapport à la vitesse de la lumière, notamment dont la vitesse est supérieure à 90% de la vitesse de la lumière.
  • Il est connu un procédé d'accélération d'électrons dit « laser-plasma ». Ce procédé permet de générer un paquet d'électrons de haute énergie - classiquement quelques centaines de MeV - en focalisant une impulsion laser intense dans un jet de gaz. L'impulsion laser crée une onde de champs électriques et magnétiques qui accélèrent des électrons présents dans le gaz.
  • Un exemple de ce procédé est connu de l'article "Femtosecond electron-bunch dynamics in laser wakefield and vacuum", A.G. Khachatryan er al, Physical Review Spécial Topic, Accelerators and Beams 10, 1213101(2007).
  • Ce procédé présente de nombreux avantages par rapport aux techniques conventionnelles d'accélération d'électrons. Notamment, ce procédé peut être mis en œuvre au moyen d'un dispositif compact, une distance de quelques millimètres suffisant pour accélérer les électrons à un niveau d'énergie de quelques centaines de MeV, alors que plusieurs dizaines de mètres sont nécessaires pour atteindre un tel niveau d'énergie avec des procédés conventionnels.
  • Par ailleurs, l'accélération laser-plasma génère des paquets d'électrons extrêmement courts, classiquement de l'ordre de quelques femtosecondes, et de taille très limitée, classiquement quelques micromètres. Des paquets d'électrons avec de telles caractéristiques sont difficiles à générer avec des accélérateurs conventionnels.
  • Des exemples de dispositifs permettant de réaliser une accélération laser-plasma sont divulgués dans les articles suivants :
    • "Control of seeding phase for a cascaded laser wakefield accelerator with gradient injection ", W.Wang et al, Applied Phisycs Letters 103, 243501 (2013) ;
    • "Démonstration of a Narrow Energy Spread, -0.5 GeV Electron Beam from a Two-Stage Laser Wakefield Accelerator", B.B Pollock et al, Physical Review Letters 107, 045001 (2011) ;
    • "All-Optical Cascaded Laser Wakefield Accelerator Using Ionization-Induced Injection", J.S. Liu et al, Physical Review Letters 107, 035001 (2011).
  • Cependant, les paquets d'électrons produits par accélération laser-plasma présentent une divergence qui les rend difficilement exploitables en pratique.
  • Cette divergence des paquets d'électrons est difficilement corrigée avec les dispositifs connus, tels que les quadrupôles magnétiques. En effet, la force de focalisation d'un quadrupôle magnétique est relativement faible. Un quadrupôle doit donc être placé plusieurs décimètres derrière la source du paquet d'électrons relativistes, le paquet d'électrons divergeant d'autant entre la source et le quadrupôle, entrainant une dégradation importante de son émittance. Les quadrupôles ont par ailleurs le désavantage de n'être focalisants que selon l'une des deux directions transverses - obligeant ainsi à combiner deux voire trois quadrupôles afin d'obtenir une focalisation adaptée.
  • Il est par ailleurs connu, notamment de l'article « A possible final focusing mechanism for linear colliders », P. Chen, Particle Accelerators, 1987, Vol. 20, pp. 171-182, un procédé de focalisation d'un paquet d'électrons à l'aide d'un plasma. Selon cet article, le paquet d'électrons pénétrant dans un plasma y génère, dans son sillage, une onde de champs électriques focalisants. Cependant, ce procédé ne permet pas de focaliser la totalité du paquet d'électrons mais uniquement une partie arrière de ce paquet d'électrons (par rapport à la direction de propagation du paquet d'électrons). Dans le cas d'un paquet d'électrons très court, comme typiquement obtenu en mettant en œuvre un procédé d'accélération laser-plasma, la partie du paquet d'électrons se situant dans la zone focalisante est réduite à zéro et le paquet d'électrons n'est plus du tout focalisé par l'onde de champs électriques focalisants.
  • Il existe donc un besoin pour un dispositif de focalisation ou de collimation ne présentant pas les inconvénients susmentionnés et permettant notamment de focaliser ou de collimater un paquet d'électrons obtenu par accélération laser-plasma.
  • Pour répondre à ce besoin un premier aspect de l'invention propose un dispositif d'émission d'un paquet d'électrons relativistes collimatés ou focalisés selon la revendication 1.
  • Des modes de réalisation préférés de ce dispositif sont définis dans les revendications dépendantes 2-7.
  • Par focalisation d'un faisceau d'électrons on entend la concentration de ce faisceau d'électrons. Par collimation d'un faisceau d'électrons, on entend l'orientation de ce faisceau dans une direction.
  • Selon l'invention, un paquet d'électrons relativistes est collimaté ou focalisé au moyen d'une onde de champs électriques et magnétiques focalisants auxquels on soumet le paquet d'électrons relativistes. Cette onde de champs électriques et magnétiques est formée par une impulsion laser se propageant dans un nuage de gaz. Cette impulsion laser ionise localement le nuage de gaz, formant des champs électriques et magnétiques focalisants. Cette onde de champs focalisants se déplace en suivant l'impulsion laser.
  • Un tel dispositif est nettement plus compact que les dispositifs connus.
  • Par rapport aux quadrupôles, il présente aussi l'avantage de focaliser simultanément les électrons dans les deux directions transverses par rapport à la direction de propagation du paquet d'électrons. En fonction de la forme de l'impulsion laser, il est également possible d'obtenir un effet de focalisation ou de collimation différent selon les deux directions transverses.
  • Le dispositif d'émission d'un paquet d'électrons relativistes collimatés ou focalisés selon l'invention comprend :
    • un premier nuage de gaz,
    • un laser adapté à émettre une impulsion laser focalisée dans le premier nuage de gaz pour y créer une première onde de champs électriques et magnétiques d'accélération d'électrons présents dans le gaz et ainsi former un paquet d'électrons relativistes qui se propage à l'extérieur du premier nuage de gaz, et
    • un dispositif de collimation ou de focalisation tel que décrit ci-avant, placé sur la trajectoire de propagation du paquet d'électrons relativistes, le nuage de gaz du dispositif de collimation ou de focalisation étant distant dudit premier nuage de gaz et ayant une largeur comprise entre 10 µm et 2 mm.
  • Selon une première variante, qui n'est pas couverte par les revendications, le dispositif d'émission d'un paquet d'électrons relativistes collimatés ou focalisés peut comprendre un unique laser adapté à émettre une impulsion laser focalisée à la fois dans le premier nuage de gaz pour y créer une première onde de champs électriques et magnétiques d'accélération d'électrons présents dans le gaz, et dans le nuage de gaz du dispositif de collimation ou de focalisation pour y créer une onde de champs électriques et magnétiques focalisants.
  • Par contre, le dispositif d'émission d'un paquet d'électrons relativistes collimatés ou focalisés selon l'invention comporte deux lasers distincts adaptés à émettre deux impulsions laser distinctes, dont l'une est focalisée dans le premier nuage de gaz pour y créer une première onde de champs électriques et magnétiques d'accélération d'électrons présents dans le gaz, et dont l'autre est focalisée dans le nuage de gaz du dispositif de collimation ou de focalisation pour y créer une onde de champs électriques et magnétiques focalisants.
  • Les densités électroniques du premier et du deuxième nuage de gaz peuvent être comprises notre 1.1017 cm-3 et 1.1020 cm-3. La densité du premier nuage de gaz est choisie principalement en fonction des caractéristiques du laser. La densité du deuxième nuage gaz est choisie principalement en fonction des caractéristiques du laser, de la longueur du deuxième nuage de gaz et de la distance entre les deux nuages de gaz. La densité du deuxième nuage peut notamment être plus faible que celle du premier nuage de gaz. En variante, cependant, la densité des deux nuages de gaz est sensiblement égale.
  • Cependant selon l'invention, la longueur et la densité électronique du nuage de gaz du dispositif de collimation ou de focalisation sont mutuellement liés comme défini dans la revendication 1.
  • La distance entre le premier nuage de gaz et le nuage de gaz du dispositif de collimation ou de focalisation est supérieure à 300 µm et/ou inférieure à 5 mm, de préférence inférieure à 2 mm.
  • Le dispositif d'émission d'un paquet d'électrons relativistes collimatés ou focalisés peut comprendre au moins l'un parmi un capillaire, un capillaire à décharge, une fuite de capillaire, une buse sonique, une buse supersonique et une cellule de gaz, pour réaliser chaque nuage de gaz.
  • Dans le dispositif selon l'invention la largeur du nuage de gaz du dispositif de collimation ou de focalisation est comprise entre 10 µm et 2 mm. Dans d'autres dispositifs, qui ne sont pas couverts par les revendications où un unique faisceau laser est mis en œuvre, le nuage de gaz du dispositif de collimation ou de focalisation peut être plus large que 2 mm. Cependant, dans ce dernier cas, seule la portion amont du nuage de gaz, dans le sens de propagation du paquet d'électrons, a un réel effet de collimation ou de focalisation du paquet d'électrons.
  • L'impulsion laser émise par le laser du dispositif de collimation ou de focalisation peut avoir une durée comprise, par exemple, entre 5 et 500 femtosecondes, et une puissance crête comprise, par exemple, entre 10 terawatt et 10 petawatt.
  • Selon un autre aspect, l'invention propose un procédé d'émission d'un paquet d'électrons relativistes collimatés ou focalisés selon la revendication 8.
  • Des modes de réalisation préférés de ce procédé sont définis dans les revendications dépendantes 9-14.
  • L'invention se rapporte donc à un procédé d'émission d'un paquet d'électrons relativistes collimatés ou focalisés, comprenant les étapes consistant à :
    • émettre une première impulsion laser focalisée dans un premier nuage de gaz pour y créer une onde de champs électriques et magnétiques d'accélération d'électrons présents dans le gaz et ainsi former un paquet d'électrons relativistes qui se propage à l'extérieur du premier nuage de gaz,
    • émettre une deuxième impulsion laser, distincte de la première impulsion laser, focalisée dans un deuxième nuage de gaz pour y créer une onde de champs électriques et magnétiques focalisants, le premier nuage de gaz étant distant du deuxième nuage de gaz, et
    • soumettre le paquet d'électrons relativistes à l'onde de champs électriques et magnétiques focalisants.
  • La distance entre le premier nuage de gaz et le deuxième nuage de gaz peut être supérieure à 300 µm et/ou inférieure à 5 mm, de préférence inférieure à 2 mm.
  • Les densités électroniques du premier et du deuxième nuage de gaz peuvent être comprises notre 1.1017 cm-3 et 1.1020 cm-3. La densité du premier nuage de gaz est choisie principalement en fonction des caractéristiques du laser. La densité du deuxième nuage gaz est choisie principalement en fonction des caractéristiques du laser, de la longueur du deuxième nuage de gaz et de la distance entre les deux nuages de gaz.
  • Conformément au dispositif de la revendication 1, selon le procédé de la présente invention la longueur et la densité électronique du nuage de gaz du dispositif de collimation ou de focalisation sont mutuellement liés comme défini dans la revendication 8.
  • Dans le procédé selon l'invention, la largeur du nuage de gaz ou du deuxième nuage de gaz, le cas échéant, peut être comprise entre 10 µm et 2 mm.
  • La deuxième impulsion laser peut avoir une durée comprise, par exemple, entre 5 et 500 femtosecondes, et une puissance crête comprise, par exemple, entre 10 terawatt et 10 petawatt.
  • Les figures annexées feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Parmi celles-ci :
    • la figure 1 représente schématiquement un dispositif de collimation ou de focalisation d'un paquet d'électrons selon l'état de l'art ;
    • la figure 2 illustre schématiquement un exemple de dispositif d'émission d'un paquet d'électrons relativistes collimatés ou focalisés, mettant en œuvre une unique impulsion laser, le dispositif n'étant pas couvert par les revendications, mais peut cependant être utilisé pour réaliser le procédé selon l'invention.
    • les figures 3 à 5 illustrent schématiquement des espaces des phases montrant la focalisation d'un paquet d'électrons au moyen du dispositif de la figure 2 ; et
    • la figure 6 représente schématiquement un exemple de dispositif d'émission d'un paquet d'électrons relativistes collimatés ou focalisés, réalisant l'invention avec deux impulsion laser distinctes.
  • Dans la suite de la description, les éléments identiques ou de fonction identique, portent le même signe de référence dans les différents modes de réalisation. À fin de concision de la présente description, ces éléments ne sont pas décrits en regard de chacun des modes de réalisation, seules les différences entre les modes de réalisation étant décrites.
  • Tel qu'illustré à la figure 1, un dispositif de collimation ou de focalisation 10 d'un paquet d'électrons relativistes 12 selon l'état de l'art comprend un nuage de gaz 14, ionisable, formé ici au moyen d'une buse 16, et un laser (non représenté) adapté à émettre une impulsion laser 18 focalisée dans le nuage de gaz 14 pour y créer une onde de champs électriques et magnétiques focalisants.
  • Ainsi, l'impulsion laser 18 ionise le gaz du nuage de gaz 14. Ce faisant, l'impulsion laser 18 forme dans son sillage 20, des champs électriques et magnétiques focalisants 22 (en anglais «focusing wakefield »). L'impulsion laser 18 se déplaçant dans le nuage de gaz, créé une onde de champs électriques et magnétiques focalisants 22, dans le sillage 20 de l'impulsion laser 18. Ces champs électriques et magnétiques focalisants 22, auxquels est soumis le paquet d'électrons relativistes 12, permettent de collimater ou de focaliser le paquet d'électrons relativistes 12.
  • L'impulsion laser émise par le laser peut avoir une durée comprise entre 5 et 500 femtosecondes. L'impulsion laser émise peut également avoir une puissance crête comprise entre 10 terawatt et 10 petawatt.
  • La largeur du nuage de gaz est par exemple comprise entre 10 µm et 2 mm.
  • Un tel dispositif permet de mettre en œuvre le procédé de collimation ou de focalisation d'un paquet d'électrons relativistes suivant. Dans un premier temps, on émet une impulsion laser 18 focalisée dans un nuage de gaz 14, ionisable, pour y créer une onde de champs électriques et magnétiques focalisants 22. Puis on soumet le paquet d'électrons relativistes 12 à ladite onde de champs électriques et magnétiques focalisants 22.
  • De préférence, le couple longueur du nuage de gaz 14, densité électronique dans le nuage de gaz 14 est choisi pour limiter la variation d'énergie des électrons entre l'entrée dans le nuage de gaz 14 et la sortie de ce nuage de gaz 14. Cette variation d'énergie |Esortie - Eentrée|/Eentrée, entre l'énergie Eentrée des électrons à l'entrée dans le nuage de gaz 14 et l'énergie Esortie des électrons à la sortie du nuage de gaz 14, est avantageusement inférieure à 50 %, mieux inférieure à 40 %, mieux encore inférieure à 30 %, de préférence encore inférieure à 20 % et de manière encore plus préférée inférieure à 10 %.
  • Selon une variante, afin de collimater le faisceau d'électrons en sortie du nuage de gaz, le couple longueur du nuage de gaz 14, densité électronique dans le nuage de gaz 14 est choisi pour diminuer un facteur égal au rapport de la divergence du faisceau d'électrons divisée par l'énergie des électrons à la puissance ¾. Notamment, ce couple peut être choisi pour réduire ce facteur d'un rapport deux ou, de préférence, d'un rapport supérieur à deux, entre l'entrée dans le nuage de gaz 14 et la sortie de ce nuage de gaz 14. Le cas échéant, la distance entre la source du faisceau d'électrons 12 et le nuage de gaz 14 peut également être déterminée, en combinaison avec le couple longueur du nuage de gaz 14, densité électronique dans le nuage de gaz 14, pour diminuer ce facteur, d'un facteur deux ou, de préférence, d'un facteur supérieur à deux.
  • Selon une autre variante, dans laquelle une focalisation du faisceau d'électrons est recherchée, le couple longueur du nuage de gaz 14, densité électronique dans le nuage de gaz 14 est choisi pour réduire les dimensions du faisceau d'électrons dans au moins un plan transversal à la direction de propagation du faisceau, de préférence dans tous les plans transversaux à la direction de propagation du faisceau, en sortie du nuage de gaz 14 par rapport à ses dimensions en entrée du nuage de gaz 14. De préférence, ces dimensions dans un plan transversal, de préférence dans tous les plans transversaux, sont réduites d'un facteur deux, de préférence encore d'un facteur supérieur à deux. Le cas échéant, la distance entre la source du faisceau d'électrons 12 et le nuage de gaz 14 peut également être déterminée, en combinaison avec le couple longueur du nuage de gaz 14, densité électronique dans le nuage de gaz 14, pour réduire les dimensions du faisceau d'électron 12 dans un plan transversal, de préférence dans tous les plans transversaux, d'un facteur deux ou, de préférence, d'un facteur supérieur à deux.
  • La figure 2 représente un dispositif d'émission d'un paquet d'électrons relativistes collimatés ou focalisés 100 pour réaliser le procédé selon l'invention, et mettant en œuvre un dispositif de collimation ou de focalisation 10 tel qu'illustré à la figure 1.
  • Plus précisément, ce dispositif 100 comprend tout d'abord un premier nuage de gaz 24, formé ici au moyen d'une première buse 26, un laser (non représenté) adapté à émettre une impulsion laser 18 focalisée dans le premier nuage de gaz 24. L'impulsion laser 18 se propageant dans le premier nuage de gaz 24, ionise localement ce gaz et forme, dans son sillage, des champs électriques et magnétiques d'accélération qui s'appliquent aux électrons présents dans le premier nuage de gaz 24. L'impulsion laser 18 se déplaçant dans le premier nuage de gaz 24, il se créé ainsi une onde de champs électriques et magnétiques d'accélération, ces champs électriques et magnétiques s'appliquant sur les électrons dans le sillon de l'impulsion laser 18.
  • Typiquement, dans ce premier nuage de gaz 24, les champs électriques et magnétiques formés dans le sillage de l'impulsion laser sont du régime dit « de la bulle » ou « de cavitation » (« bubble regime » ou « blow-out regime » en anglais).
  • Un tel régime de la bulle correspond à une intensité laser nettement supérieure à 2.1018 W.cm-2, à un diamètre du laser de l'ordre de la longueur d'onde plasma du nuage de gaz, et à une durée de l'impulsion laser de l'ordre de grandeur de la période plasma du nuage de gaz.
  • En outre, pour permettre l'« auto-injection » d'électrons (de l'anglais « self-injection »), la densité du gaz dans le premier nuage de gaz peut être choisie relativement élevée, par exemple supérieure à 1019 molécules par cm3.
  • En variante ou au surplus, des électrons peuvent être injectés en utilisant un gaz plus lourd, typiquement de l'azote ou de l'argon, alors que l'on utilise généralement de l'hélium ou de l'hydrogène, ou un mélange de gaz, et/ou en utilisant une ou plusieurs autres impulsions laser, et/ou en plaçant un objet sur la sortie du jet de gaz.
  • Ainsi, un paquet d'électrons se forme qui se déplace dans le sillage de l'impulsion laser, accéléré par les champs électriques et magnétiques formés dans le sillage de l'impulsion laser. Chaque électron de ce paquet d'électrons réalise des oscillations transverses à la direction de propagation du paquet d'électrons. Le paquet d'électrons 12 présente ainsi, en sortie du premier nuage de gaz 24, un portrait de phase 28 du paquet d'électrons 12, tel que représenté à la figure 3. Cette figure représente le portrait de phase du paquet d'électrons relativistes selon une unique direction transverses étant entendu qu'avec une impulsion laser de section sensiblement circulaire, ce portrait de phase est sensiblement identique selon deux directions transverses perpendiculaires. Ici,
    • X représente l'une des coordonnées (X, Y, Z) d'un électron, dans un plan (O, x, y) normal à la direction de propagation z du paquet d'électrons, et
    • θx représente l'angle entre l'axe de propagation z du paquet d'électron et le vecteur vitesse de l'électron, dans un plan (O, y, z).
  • Ce portrait de phase, sous forme d'une ellipse allongée dans la direction θx, démontre la divergence relativement importante du paquet d'électrons 12 dans le premier nuage de gaz 24 et, surtout, à sa sortie.
  • Ce paquet d'électrons relativistes 12 se propage ensuite à l'extérieur de ce premier nuage de gaz 24, vers un deuxième nuage de gaz 14 d'un dispositif de collimation ou de focalisation 10 tel que décrit précédemment en regard de la figure 1. Entre le premier nuage de gaz 24 et le nuage de gaz 14 du dispositif de collimation ou de focalisation 10 (ci-après deuxième nuage de gaz 14), le paquet d'électrons relativistes 12 se propage librement dans le vide. Par « vide », on entend de préférence une densité électronique entre les deux nuages de gaz, inférieure à 40 %, de préférence inférieure à 20 % et de manière encore plus préférée inférieure à 1 % de la densité électronique du deuxième nuage de gaz. La distance d entre les premier et deuxième nuages de gaz 24, 14 est par exemple supérieure à 300 µm et/ou inférieure à 5 mm, de préférence inférieure à 2 mm.
  • Comme illustré par le portrait de phase 30 de la figure 4, au cours de cette propagation dans le vide du paquet d'électrons, les électrons diffractent librement et, en l'absence de champs électriques et magnétiques dans le sillage de l'impulsion laser 18, le paquet d'électrons 12 s'élargit radialement. Ceci se traduit par un étirement du portrait de phase dans la direction X, mais avec des valeurs constantes de θx.
  • Puis, le paquet d'électrons relativistes 12 pénètre dans le deuxième nuage de gaz 14. Selon un premier mode de réalisation du procédé de l'invention, l' 'impulsion laser 18 crée, dans son sillage, une nouvelle onde de champs électriques et magnétiques qui ont un effet focalisant ou collimateur. Cette impulsion laser 18 et le deuxième nuage de gaz 14 forment un dispositif de collimation ou de focalisation 10 tel que déjà décrit en regard de la figure 1.
  • Les champs électriques et magnétiques formés dans le sillage de l'impulsion laser 18 dans le second nuage de gaz 14 sont classiquement dans le régime linéaire ou quasi-linéaire. Les champs électriques et magnétiques dans le second nuage de gaz sont donc plus faibles a priori que dans le premier nuage de gaz. Ainsi, le paquet d'électrons relativistes pivote plus lentement dans le portrait de phase. À certains points de cette rotation, le portrait de phase 32 du paquet d'électrons est aligné avec l'axe X et la divergence est minimale. Un effet de collimation est obtenu quand le nuage de gaz s'arrête au niveau de ces points. Pour obtenir un effet de focalisation, on peut continuer à faire tourner l'ellipse du portrait de phase du paquet d'électrons pour obtenir une ellipse telle que la majorité des électrons vérifie que si x>0, alors θx<0 et inversement (en d'autres termes, on réalise un portrait de phase sensiblement symétrique, par rapport à l'axe θx, au portrait de phase de la figure 4).
  • Ainsi, il a été prouvé que la longueur du deuxième nuage de gaz 14, la distance d entre les deux jets et la densité électronique dans le deuxième nuage de gaz 14 peuvent être déterminées pour obtenir une valeur de divergence minimale du paquet d'électrons 12 en sortie du deuxième nuage de gaz 14.
  • En pratique, cependant, on peut obtenir une divergence minimale du paquet d'électrons 12, pour une densité de gaz dans le deuxième nuage de gaz 14 et pour une longueur de ce deuxième nuage de gaz 14 données, en déplaçant les premier et deuxième nuages de gaz l'un par rapport à l'autre pour modifier la distance d. En variante, on fixe la longueur du deuxième nuage de gaz 14 et la distance entre les premier et deuxième nuages de gaz, et on modifie la densité du gaz du deuxième nuage de gaz jusqu'à l'obtention d'un effet de collimation ou de focalisation optimal.
  • De préférence, le triplet longueur du deuxième nuage de gaz 14, distance d entre les deux nuages de gaz et densité électronique dans le deuxième nuage de gaz 14 est choisi pour limiter la variation d'énergie des électrons entre l'entrée dans le deuxième nuage de gaz 14 et la sortie de ce deuxième nuage de gaz 14. Cette variation d'énergie |Esortie - Eentrée|/Eentrée, entre l'énergie Eentrée des électrons à l'entrée dans le deuxième nuage de gaz 14 et l'énergie Esortie des électrons à la sortie du deuxième nuage de gaz 14, est avantageusement inférieure à 50 %, mieux inférieure à 40 %, mieux encore inférieure à 30 %, de préférence encore inférieure à 20 % et de manière encore plus préférée inférieure à 10 %.
  • Selon une variante, afin de collimater le faisceau d'électrons en sortie du deuxième nuage de gaz, le triplet longueur du deuxième nuage de gaz 14, distance d entre les deux nuages de gaz et densité électronique dans le deuxième nuage de gaz 14 est choisi pour diminuer un facteur égal au rapport de la divergence du faisceau d'électrons, divisée par l'énergie des électrons à la puissance ¾. Notamment, ce triplet peut être choisi pour réduire ce facteur d'un rapport deux ou, de préférence, d'un rapport supérieur à deux, entre la sortie du premier nuage de gaz 24 et la sortie du deuxième nuage de gaz 14.
  • Selon une autre variante, dans laquelle une focalisation du faisceau d'électrons est recherchée, le triplet longueur du deuxième nuage de gaz 14, distance d entre les deux nuages de gaz et densité électronique dans le deuxième nuage de gaz 14 est choisi pour réduire les dimensions du faisceau d'électrons dans au moins un plan transversal à la direction de propagation du faisceau, de préférence dans tous les plans transversaux à la direction de propagation du faisceau, en sortie du deuxième nuage de gaz 14 par rapport à ses dimensions en sortie du premier nuage de gaz 24. De préférence, ces dimensions dans un plan transversal, de préférence dans tous les plans transversaux, sont réduites d'un facteur deux, de préférence encore d'un facteur supérieur à deux.
  • En général, le gaz du premier nuage de gaz est plus dense que le gaz du nuage de gaz du dispositif de collimation ou de focalisation, la densité du premier nuage de gaz étant par exemple supérieure à 5.1018 molécules par cm3, de préférence supérieure à 1019 molécules par cm3, la densité du nuage de gaz du dispositif de collimation ou de focalisation étant par exemple inférieure à 5.1018 molécules par cm3, de préférence inférieure à 1018 molécules par cm3. Il est à noter cependant que les valeurs de densité peuvent varier significativement selon les propriétés de l'impulsion laser et des électrons. De plus, le dispositif de la figure 100 fonctionne également si la densité du deuxième nuage de gaz est égale ou supérieure à celle du premier nuage de gaz.
  • Le dispositif 100 permet de mettre en œuvre le procédé d'émission d'un paquet d'électrons relativistes collimatés ou focalisés suivant. Tout d'abord on émet une impulsion laser focalisée dans un premier nuage de gaz, ionisable, pour y créer une onde de champs électriques et magnétiques d'accélération d'électrons présents dans le gaz et ainsi former un paquet d'électrons relativistes qui se propage à l'extérieur du premier nuage de gaz. Selon le premier mode de réalisation du procédé, l' impulsion laser étant également focalisée dans un deuxième nuage de gaz ionisable, elle y créé une onde de champs électriques et magnétiques focalisants. Le premier nuage de gaz est distant du deuxième nuage de gaz ionisable. Puis on soumet le paquet d'électrons relativistes à l'onde de champs électriques et magnétiques focalisants.
  • La figure 6 représente un dispositif d'émission d'un paquet d'électrons relativistes collimatés ou focalisés 200 selon l'invention Ce dispositif 200 se distingue du dispositif 100 de la figure 2 essentiellement en ce qu'il met en œuvre deux impulsions laser 18, 34, issues de deux lasers distincts et séparées en amont du premier nuage de gaz 24.
  • Le premier laser est ainsi adapté à émettre une première impulsion laser 34 focalisée dans le premier nuage de gaz 24, ionisable, pour y créer une première onde de champs électriques et magnétiques d'accélération d'électrons présents dans le gaz et ainsi former un paquet d'électrons relativistes 12 qui se propage à l'extérieur du premier nuage de gaz 24. Un deuxième laser est en outre adapté à émettre une deuxième impulsion laser 18 focalisée dans le second nuage de gaz 14, ionisable, pour y créer une deuxième onde de champs électriques et magnétiques, de collimation ou de focalisation du paquet d'électrons relativistes 12.
  • De préférence, la deuxième impulsion laser précède la première impulsion laser de quelques dixièmes de femtosecondes. Ce délai entre les deux impulsions laser 34, 18 peut être ajusté pour que le paquet d'électrons 12 se trouve dans une zone focalisante de l'onde de champs électriques et magnétiques produits dans le second nuage de gaz 14 par la deuxième impulsion laser 18.
  • La densité du gaz du deuxième nuage de gaz est choisie de préférence relativement faible, par exemple inférieure à 1018 molécules par cm3 pour que le sillage de la deuxième impulsion laser englobe la totalité du paquet d'électrons 12. La longueur du deuxième nuage de gaz 14 est par exemple de 100 µm. Selon l'invention, la densité électronique ne dans le deuxième nuage de gaz 14 et la longueur Le de ce deuxième nuage de gaz 14 sont choisies de telle sorte que l'inéquation suivante soit vérifiée : L e L 0 × n e n 0 < 1 2
    Figure imgb0001
     où n0 = 1018 électrons/cm3 et L0 = 1 mm.
  • Les deux impulsions laser peuvent être de longueurs d'ondes différentes. De préférence cependant, elles présentent la même longueur d'onde.
  • Les premier et deuxième nuages de gaz sont ici aussi distants d'une distance de l'ordre du millimètre, de sorte que le paquet d'électrons relativistes se propage dans le vide dans l'espace entre ces deux nuages de gaz. Bien entendu, cet ordre de grandeur n'est pas limitatif, et la distance entre les deux nuages de gaz pourra être déterminée comme expliqué ci-avant dans le cas du dispositif 100.
  • Ce dispositif d'émission d'un paquet d'électrons relativistes collimatés ou focalisés 200 fonctionne sensiblement comme le dispositif d'émission 100. Notamment, le portrait de phase du paquet d'électrons présente les mêmes variations dans ce dispositif 200 que dans le dispositif 100. Cependant, les champs électriques et magnétiques dans le deuxième nuage de gaz sont plus forts dans ce dispositif 200 que dans le cas du dispositif 100. Ainsi, le deuxième nuage gazeux dans le dispositif 200 peut être plus court que dans le cas du dispositif d'émission 100.
  • En outre, ce dispositif 200 présente moins d'aberrations que le dispositif 100. En effet, dans le cas du dispositif 200, la deuxième impulsion laser correspond au régime de la bulle, dans le deuxième nuage de gaz. Dans ce cas, les champs électriques et magnétiques focalisants dans ce deuxième nuage de gaz sont proportionnels à la distance à l'axe de propagation de la deuxième impulsion laser. Ceci permet une collimation plus efficace du paquet d'électrons relativistes, notamment par rapport au dispositif 100, dans lequel l'impulsion laser dans le deuxième nuage de gaz correspond au régime quasi-linéaire. Par suite, les champs électriques et magnétiques focalisants dans le deuxième nuage de gaz de ce dispositif 100 ne sont proportionnels à la distance à l'axe que proche de l'axe et de façon approchée. Les électrons avec les plus grands angles de propagation peuvent alors ne pas voir les mêmes champs focalisants que les électrons avec des angles de propagation faibles. La longueur de collimation peut alors dépendre de l'angle de propagation initiale des électrons, ce qui peut limiter l'effet de collimation.
  • Le dispositif 200 permet également de mieux focaliser les électrons très énergétiques, par exemple ceux dont l'énergie est supérieure à 1 GeV. Les champs dans le dispositif 100 sont en effet généralement trop faibles pour focaliser efficacement ces électrons.
  • Ce dispositif 200 permet de mettre en œuvre le procédé d'émission d'un paquet d'électrons relativistes collimatés ou focalisés selon le deuxième mode de réalisation du procédé de l'invention. On émet une première impulsion laser focalisée dans un premier nuage de gaz ionisable pour y créer une onde de champs électriques et magnétiques d'accélération d'électrons présents dans le gaz et ainsi former un paquet d'électrons relativistes qui se propage à l'extérieur du premier nuage de gaz ionisable. On émet une deuxième impulsion laser focalisée dans un deuxième nuage de gaz ionisable pour y créer une onde de champs électriques et magnétiques focalisants, le premier nuage de gaz ionisable étant distant du deuxième nuage de gaz ionisable. Enfin, on soumet le paquet d'électrons relativistes à l'onde de champs électriques et magnétiques focalisants.
  • L'invention est limitée par les revendications suivantes et elle ne se limite pas aux seuls exemples de réalisation décrit ci-avant en regard des figures, qui doivent être considérées à titre d'exemples illustratifs et non limitatifs.
  • En particulier, le ou chaque nuage de gaz peut être obtenu en mettant en œuvre au moins l'un parmi un capillaire, un capillaire à décharge, une fuite de capillaire, une buse sonique, une buse supersonique et une cellule de gaz, pour réaliser chaque nuage de gaz.

Claims (14)

  1. Dispositif (200) d'émission d'un paquet d'électrons relativistes (12) collimatés ou focalisés, comprenant :
    - un premier nuage de gaz (24),
    - un laser adapté à émettre une première impulsion laser (18) focalisée dans le premier nuage de gaz (24) pour y créer une première onde de champs électriques et magnétiques d'accélération laser-plasma d'électrons présents dans le nuage de gaz (24) et ainsi former un paquet d'électrons relativistes (12) qui se propage à l'extérieur du premier nuage de gaz (24), et
    - un dispositif de collimation ou de focalisation (10) du paquet d'électrons relativistes (12) obtenu par accélération laser-plasma comprenant un nuage de gaz (14) , la largeur du nuage de gaz (14) du dispositif de collimation ou de focalisation (10) étant comprise entre 10 µm et 2 mm, le dispositif de collimation ou de focalisation étant placé sur la trajectoire de propagation du paquet d'électrons relativistes (12), le nuage de gaz (14) du dispositif de collimation ou de focalisation (10) étant distant dudit premier nuage de gaz (14) par un vide, le paquet d'électrons relativistes (12) se propageant dans le vide entre le premier nuage de gaz (24) et le nuage de gaz (14) du dispositif de collimation ou de focalisation,
    caractérisé en ce que
    le dispositif d'émission d'un paquet d'électrons relativistes collimatés ou focalisés (200) comprend deux lasers distincts adaptés à émettre deux impulsions laser distinctes (18 ; 34), dont ladite première impulsion (18) est focalisée dans ledit le premier nuage de gaz (24) pour y créer ladite première onde de champs électriques et magnétiques d'accélération laser-plasma d'électrons présents dans ledit premier nuage de gaz (24), et dont l'autre est focalisée dans ledit nuage de gaz (14) du dispositif de collimation ou de focalisation (10) pour y créer une onde de champs électriques et magnétiques focalisants, et en ce que la longueur Le et la densité électronique ne du nuage de gaz (14) du dispositif de collimation ou de focalisation (10) sont telles que : L e L 0 × n e n 0 < 1 2
    Figure imgb0002
     où n0 = 1018 électrons/cm3 et L0 = 1 mm.
  2. Dispositif (200) selon la revendication précédente, dans lequel la distance (d) entre le premier nuage de gaz (24) et le nuage de gaz (14) du dispositif de collimation ou de focalisation (10) est supérieure à 300 µm et/ou inférieure à 5 mm, de préférence inférieure à 2 mm.
  3. Dispositif (200) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant au moins l'un parmi un capillaire, un capillaire à décharge, une fuite de capillaire, une buse sonique, une buse supersonique et une cellule de gaz, pour réaliser chaque nuage de gaz (14 ; 24).
  4. Dispositif (200) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'impulsion laser (18) émise par le laser du dispositif de collimation ou de focalisation (10) a une durée comprise entre 5 et 500 femtosecondes et/ou une puissance crête comprise entre 10 terawatt et 10 petawatt.
  5. Dispositif (200) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la longueur et la densité électronique du nuage de gaz (14) du dispositif de collimation ou de focalisation (10) et la distance entre le premier nuage de gaz (24) et le nuage de gaz (14) du dispositif de collimation ou de focalisation (10), le cas échéant, sont choisies de telle sorte que la variation d'énergie du faisceau d'électrons entre l'entrée et la sortie du nuage de gaz (14) du dispositif de collimation ou de focalisation (10) soit inférieure à 50%, de préférence inférieure à 40%, de préférence encore inférieure à 30%, de manière encore préférée inférieure à 20% et de manière encore plus préférée inférieure à 10 %.
  6. Dispositif (200) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la longueur et la densité électronique du nuage de gaz (14) du dispositif de collimation ou de focalisation (10) et la distance entre le premier nuage de gaz (24) et le nuage de gaz (14) du dispositif de collimation ou de focalisation (10), le cas échéant, sont choisies de telle sorte que le facteur égal à la divergence du faisceau d'électrons, divisée par l'énergie des électrons du faisceau à la puissance ¾, soit réduit entre l'entrée du nuage de gaz (14) du dispositif de collimation ou de focalisation (10) ou la sortie du premier nuage de gaz (24), le cas échéant, et la sortie du nuage de gaz du dispositif de collimation ou de focalisation (10), d'un rapport deux ou plus.
  7. Dispositif (200) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la longueur et la densité électronique du nuage de gaz (14) du dispositif de collimation ou de focalisation (10) et la distance entre le premier nuage de gaz (24) et le nuage de gaz (14) du dispositif de collimation ou de focalisation (10), le cas échéant, sont choisies de telle sorte les dimensions du faisceau d'électrons dans un plan transversal à la direction de propagation du faisceau d'électrons, de préférence dans tous les plans transversaux à la direction de propagation du faisceau d'électrons, soient réduites entre l'entrée du nuage de gaz (14) du dispositif de collimation ou de focalisation (10) ou la sortie du premier nuage de gaz (24), le cas échéant, et la sortie du nuage de gaz du dispositif de collimation ou de focalisation (10), d'un rapport deux ou plus.
  8. Procédé d'émission d'un paquet d'électrons relativistes collimatés ou focalisés, comprenant les étapes consistant à :
    - émettre une première impulsion laser (34) focalisée dans un premier nuage de gaz (24) pour y créer une onde de champs électriques et magnétiques d'accélération laser-plasma d'électrons présents dans le ledit premier nuage de gaz et ainsi former un paquet d'électrons relativistes (12) qui se propage à l'extérieur du premier nuage de gaz (24),
    - émettre une deuxième impulsion laser (18), distincte de la première impulsion laser (34), focalisée dans un deuxième nuage de gaz (14) pour y créer une onde de champs électriques et magnétiques focalisants (22), le premier nuage de gaz (24) étant distant du deuxième nuage de gaz (14) par un vide, le paquet d'électrons relativistes (12) se propageant dans le vide entre le premier nuage de gaz (24) et le deuxième nuage de gaz (24), et
    - soumettre le naauet d'électrons relativistes (12) obtenu par accélération laser-plasma à l'onde de champs électriques et magnétiques focalisants (22),
    caractérisé en ce que
    la longueur Le et la densité électronique ne du deuxième nuage de gaz (14) sont telles que : L e L 0 × n e n 0 < 1 2
    Figure imgb0003
     où n0 = 1018 électrons/cm3 et L0 = 1 mm.
  9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel la distance entre le premier nuage de gaz (24) et le deuxième nuage de gaz (14) est supérieure à 300 µm et/ou inférieure à 5 mm, de préférence inférieure à 2 mm.
  10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, dans lequel la largeur du deuxième nuage de gaz (14) est comprise entre 10 µm et 2 mm.
  11. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la deuxième impulsion laser (18) a une durée comprise entre 5 et 500 femtosecondes, et/ou une puissance crête comprise entre 10 terawatt et 10 petawatt.
  12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, dans lequel la longueur et la densité électronique du deuxième nuage de gaz (14) et la distance entre le premier nuage de gaz (24) et le deuxième nuage de gaz (14), le cas échéant, sont choisies de telle sorte que la variation d'énergie du faisceau d'électron entre l'entrée et la sortie du deuxième nuage de gaz (14) soit inférieure à 50%, de préférence inférieure à 40%, de préférence encore inférieure à 30%, de manière encore préférée inférieure à 20% et de manière encore plus préférée inférieure à 10%.
  13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, dans lequel la longueur et la densité électronique du deuxième nuage de gaz (14) et la distance entre le premier nuage de gaz (24) et le deuxième nuage de gaz (14), le cas échéant, sont choisies de telle sorte que le facteur égal à la divergence du faisceau d'électrons, divisée par l'énergie des électrons à la puissance ¾, soit réduit entre l'entrée du deuxième nuage de gaz (14) ou la sortie du premier nuage de gaz (24), le cas échéant, et la sortie du deuxième nuage de gaz, d'un rapport deux ou plus.
  14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, dans lequel la longueur et la densité électronique du deuxième nuage de gaz (14) et la distance entre le premier nuage de gaz (24) et le deuxième nuage de gaz (14), le cas échéant, sont choisies de telle sorte les dimensions du faisceau d'électrons dans un plan transversal à la direction de propagation du faisceau d'électrons, de préférence dans tous les plans transversaux à la direction de propagation du faisceau d'électrons, soient réduites entre l'entrée du deuxième nuage de gaz (14) ou la sortie du premier nuage de gaz (24), le cas échéant, et la sortie du deuxième nuage de gaz, d'un rapport deux ou plus.
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