FR3002720A1 - Dispositif de magnetisation de plasma laser par champ magnetique pulse - Google Patents

Abstract

Dispositif de magnétisation de plasma laser (1) par champ magnétique pulsé comportant : une source laser (2) pour émettre une impulsion laser (3) ; une enceinte sous vide (4) dans laquelle est disposée une cible (5) apte à générer un plasma laser (6) lors d'une interaction de l'impulsion laser avec la cible ; et un bobinage (8) apte à générer un champ magnétique pulsé (9) dans le plasma laser, le dispositif étant caractérisé en ce que le bobinage (8) est disposé dans une enceinte réentrante (10) contenant un fluide de refroidissement (11).

Description

DISPOSITIF DE MAGNETISATION DE PLASMA LASER PAR CHAMP MAGNETIQUE PULSE. La présente invention est relative aux dispositifs 5 de magnétisation de plasma laser par champ magnétique pulsé. Plus particulièrement, l'invention se rapporte à un dispositif de magnétisation de plasma laser par champ 10 magnétique pulsé comportant une enceinte sous vide dans laquelle est disposée une cible apte à générer un plasma laser lors d'une interaction de la cible avec une impulsion laser et un bobinage alimentable électriquement pour générer un champ magnétique pulsé dans le plasma laser. 15 Il est connu de l'état de la technique que l'interaction entre une impulsion laser de forte puissance et une cible solide ou gazeuse permet la génération d'un plasma communément appelé plasma laser. Cette génération de 20 plasma est accompagnée par l'émission d'un faisceau intense de particules chargées. Un tel faisceau possède de nombreuses applications comme par exemple dans le sondage de phénomènes physiques, la fusion inertielle ou encore la génération de radiations 25 intenses. Pour générer le plasma laser, l'impulsion laser doit être de forte intensité et focalisée sur une tâche focale de faible dimension transverse sur la cible. Il est donc nécessaire de prévoir une enceinte sous vide, au moins 30 sur le parcours terminal de l'impulsion laser, la forte intensité et la faible dimension transverse de l'impulsion tendant à ioniser tout gaz qui se trouverait sur le trajet, en particulier l'air ambiant, avec des risques d'endommagement des optiques laser, de perte de puissance 35 de l'impulsion laser et de danger pour les personnels présents dans le voisinage. De tels faisceaux intenses de particules chargées sont usuellement fortement divergents et il est souhaitable 5 de pouvoir les focaliser pour les applications susmentionnées. Il est connu que la génération d'un champ magnétique pulsé de forte intensité dans un plasma laser permet d'améliorer la focalisation des faisceaux de 10 particules chargées, les particules chargées étant alors soumises à un mouvement de rotation autour des lignes de champ magnétique, usuellement caractérisé par un rayon de Larmor. Le document « Laser-driven Magnetic-Flux 15 Compression in High-Energy-Density Plasmas » de O. V. Gotchev et al. (Physical Review Letters, vol. 103, 215004) décrit un exemple de dispositif de magnétisation de plasma laser par champ magnétique pulsé comportant des bobines placées dans une enceinte sous vide, de part et d'autre et 20 à très grande proximité de la cible, les bobines étant ainsi aptes à générer un champ magnétique de 5 à 9 Tesla au niveau de la cible lorsqu'elles sont parcourues par un courant suffisamment important, d'environ 80 kA. De tels dispositifs présentent plusieurs 25 inconvénients. L'échauffement des bobines lorsqu'elles sont parcourues par le courant provoque leur destruction et il est donc nécessaire de procéder au remplacement des bobines à chaque tir de laser. La cadence d'utilisation du laser 30 est donc réduite. La destruction des bobines peut endommager les optiques de focalisation de l'impulsion laser qui sont généralement placées elles aussi dans l'enceinte à vide et implique a minima un nettoyage fréquent de l'enceinte sous 35 vide.

Le champ magnétique instantané étant déterminé en mesurant le courant passant dans les bobines puis en appliquant un calcul tenant compte de la géométrie des bobines, la destruction progressive des bobines au fur et à mesure de la génération du champ magnétique rend la détermination du champ magnétique peu fiable car la géométrie des bobines évolue dans le temps de façon difficilement prédictible. La durée et l'intensité maximales du champ magnétique pulsé sont limitées par la destruction des bobines et il est difficile de générer des champs magnétiques pulsés de plus de 10 Teslas et de plus de 300 nanosecondes avec un tel dispositif. Les forts courants circulant dans les bobines imposent l'utilisation de passages électriques spécialement adaptés au vide (« vacuum feedthrough ») pour éviter la génération d'arcs électriques dans le vide de l'enceinte au niveau des alimentations électriques des bobines.

Il existe donc un besoin pour un dispositif de magnétisation de plasma laser par champ magnétique pulsé résolvant au moins une partie des problèmes mentionnés ci-dessus.

A cet effet, selon l'invention, un tel dispositif de magnétisation de plasma laser par champ magnétique pulsé est caractérisé en ce que le bobinage est disposé dans une enceinte réentrante contenant un fluide de refroidissement.

Grâce à ces dispositions, le dispositif de magnétisation de plasma laser par champ magnétique pulsé peut générer des champs magnétiques pulsés de plus de 10 Teslas, allant jusqu'à 40 Tesla et au-delà, avec des durée de plus de 300 nanosecondes ce qui permet de mieux focaliser un faisceau particules chargées. La focalisation peut en outre être stable sur une grande durée. La cadence du laser peut être augmentée puisqu'il n'est plus nécessaire de changer des éléments du bobinage après chaque tir de laser.

Les risques d'endommagement des optiques, des éléments de l'enceinte et des personnels sont réduits. Le champ magnétique généré au niveau du plasma laser peut être déterminé et contrôlé de façon précise et fiable.

Il n'est pas nécessaire d'utiliser des passages sous vide spéciaux pour l'alimentation du bobinage. Dans des modes de réalisation préférés de l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre 15 à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes : - l'enceinte réentrante comporte un conduit axial traversant sous vide comprenant deux extrémités axiales chacune des extrémités axiales étant en communication avec l'enceinte sous vide ; 20 - le bobinage comporte au moins une bobine entourant le conduit axial traversant sous vide ; - le bobinage comporte deux bobines entourant le conduit axial traversant sous vide, lesdites bobines étant séparées par une plaque centrale ; 25 - l'enceinte réentrante comporte en outre au moins un conduit radial traversant sous vide comprenant deux extrémités radiales chacune des extrémités radiales étant en communication avec l'enceinte sous vide ; - le conduit radial traversant sous vide est 30 localisé au niveau de la plaque centrale séparant les deux bobines ; - la cible est disposée sensiblement au milieu du bobinage ; - la cible est disposée sensiblement à une 35 extrémité du bobinage ; - le fluide de refroidissement est soit un gaz soit un fluide cryogénique, en particulier de l'azote liquide ou de l'hélium liquide ; - l'enceinte réentrante comporte un matériau 5 faiblement conducteur résistant au vide, en particulier un acier inoxydable ; - le champ magnétique pulsé est un champ magnétique dont une intensité est supérieure à quelques Tesla, de préférence supérieure à une dizaine de Tesla, de préférence 10 supérieure à quarante Tesla ; - le dispositif comporte en outre une source laser pour émettre une impulsion laser apte à interagir avec la cible pour générer le plasma laser, et l'impulsion laser possède une puissance sensiblement comprise entre un 15 gigawatt et un petawatt, notamment 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 nanosecondes, notamment entre une dizaine de 20 femtosecondes et une dizaine de picosecondes. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante de plusieurs de ses formes de réalisation, données 25 à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins joints. Sur les dessins : - les figures 1 et 2 sont des illustrations schématique, en vue de face et de profil, d'un dispositif 30 selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 est une illustration schématique d'un dispositif selon un autre mode de réalisation de l'invention ; et - la figure 4 est une illustration schématique 35 d'un dispositif selon encore un autre mode de réalisation de l'invention. Sur les différentes figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou similaires.

Sur les figures 1 à 4 est illustré un dispositif de magnétisation de plasma laser par champ magnétique pulsé 1 selon un mode de réalisation de l'invention. Un tel dispositif 1 comporte une source laser 2. Cette source laser 2 est apte à émettre une impulsion laser 3 qui présente puissance élevée, par exemple comprise entre un gigawatt et un petawatt (selon que les impulsions sont courtes ou longues), notamment entre un térawatt et une centaine de térawatts par centimètre carré lorsqu'elle est focalisée sur une tache focale de dimension réduite comme détaillé ci-après. Cette impulsion laser 3 possède une durée sensiblement comprise entre une dizaine de femtosecondes et une dizaine de nanosecondes. Elle peut par exemple avoir une énergie de quelques joules et une durée de quelques nanosecondes. Dans d'autres modes de réalisation, l'intensité de l'impulsion laser peut être plus faible, par exemple quelques milliJoules, et la durée de l'impulsion laser peut également être plus réduite, par exemple quelques femtosecondes. La source laser 2 peut comporter un ou plusieurs oscillateurs laser ainsi que des éléments optiques 27 tels par exemple que des lentilles, des cristaux et/ou des réseaux (« gratings »).

L'impulsion laser 3 se propage selon une direction de propagation X. Le dispositif 1 comporte une enceinte sous vide 4 dans laquelle est disposée une cible 5 apte à générer un plasma laser 6 lors d'une interaction de l'impulsion laser 3 avec la cible 5. La cible 5 peut être une cible solide, liquide ou gazeuse, 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 YZ, par exemple un plan perpendiculaire à la 10 direction de propagation X. Une interaction entre l'impulsion 3 et la cible 5 peut être obtenue en focalisant au moins partiellement ladite impulsion sur une face avant de la cible 5, au moyen de dispositifs de focalisation optique, au niveau d'une 15 tache focale de dimensions réduites, par exemple d'environ 6 micromètres de largeur à la moitié de l'intensité maximale (« FWHM »). L'impulsion laser 3 crée un plasma laser 6 au niveau de la face avant de la cible en ionisant les atomes 20 de la cible situés au niveau de la tache focale. L'impulsion laser 3 chauffe la cible 5 et communique aux électrons de ladite cible une énergie thermique importante qui peut amener une partie desdits électrons à traverser la cible pour s'en échapper au niveau 25 de la face arrière, ladite face arrière étant une face de la cible opposée par rapport à la face avant selon une direction d'épaisseur X' de la cible, ladite direction d'épaisseur X' étant par exemple sensiblement perpendiculaire au plan d'extension de la cible YZ. 30 Dans un mode de réalisation, la direction d'épaisseur X' de la cible 5 et la direction de propagation de l'impulsion laser X peuvent être sensiblement colinéaires. Dans d'autre mode de réalisation, la direction de propagation X du laser pourra être inclinée par rapport à la direction d'épaisseur de la cible X', par exemple de 45° ou plus. L'impulsion laser 3 génère donc un déplacement 5 d'électrons dans l'épaisseur de la cible 5 qui constitue un faisceau d'électrons mis mouvement sensiblement suivant la direction d'épaisseur X' de la cible 5. En s'étendant hors de la cible au niveau de la face arrière, ces électrons peuvent engendrer des champs 10 électriques importants au niveau de ladite face arrière (de l'ordre du tera-volt par mètre). Ces champ électriques peuvent en particulier être suffisamment intenses pour arracher des ions de la face arrière (par exemple des impuretés piégées sur la surface 15 opposée) et engendrer ainsi un faisceau 7 de particules chargées. L'énergie desdites particules chargées (de charge typiquement de l'ordre de quelques picoCoulomb à quelques nanoCoulomb) peut par exemple aller jusqu'à soixante ou 20 cent mégaélectronvolts et les doses peuvent par exemple être de l'ordre de 1011 à 1013 particules par impulsion. Dans le cas des électrons (en utilisant des cibles gazeuses), l'énergie peut atteindre quelques gigaélectronvolts. 25 Une impulsion d'un tel faisceau 7 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. 30 Le faisceau d'électrons mis mouvement dans l'épaisseur de la cible de génération par l'impulsion laser peut être divergent. Le faisceau de particules 7 chargées créé peut ainsi lui aussi être divergent. Ceci nécessite de focaliser ledit faisceau de 35 particules 7 pour pouvoir l'utiliser dans plusieurs applications dont celles mentionnées ci-avant. Le dispositif 1 comporte ainsi également un 5 bobinage 8 (ou électro-aimant) apte à générer un champ magnétique pulsé 9 dans le plasma laser 6. Le champ magnétique pulsé 9 est un champ magnétique dont l'intensité est supérieure à quelques Tesla. Ainsi par exemple dans l'exemple de la figure 1, 10 l'intensité du champ magnétique pulsé 9 est supérieure à une dizaine de Tesla et de l'ordre de quarante Tesla. De cette façon, la focalisation du faisceau de particules 7 est améliorée. Dans l'exemple de la figure 1, le bobinage 8 est 15 alimenté par une alimentation électrique adaptée 25, au moyen de câble d'alimentation 27. L'alimentation électrique 25 est par exemple apte à délivrer 30 à 50 kiloJoules, en fournissant un courant d'au moins 50 kiloAmpères, typiquement 100 kiloAmères, sous une 20 tension de 16 kiloVolts au bobinage 8. Le bobinage 8 est disposé dans une enceinte réentrante 10 contenant un fluide de refroidissement 11. L'enceinte réentrant 10 est une enceinte pénétrant substantiellement à l'intérieur de l'enceinte sous vide 4. 25 Sur la figure 1, l'enceinte réentrante 10 pénètre l'enceinte sous vide 4 selon une direction vertical Z perpendiculaire à la direction de propagation X. Le fluide de refroidissement 11 peut être un gaz 30 comme par exemple de l'air comme dans le mode de réalisation des figures 1 et 2. Dans d'autres modes de réalisation, le fluide de refroidissement 11 peut être un fluide cryogénique comme par exemple de l'azote liquide ou de l'hélium liquide comme dans le mode de réalisation de la figure 3. Tout autre liquide, eau, solvants ou huiles en tous genres peuvent être utilisés en contact direct ou non avec l'électroaimant.

Le fluide de refroidissement 11 peut être disposé de façon à être en contact avec le bobinage 8 pour permettre un refroidissement du bobinage 8. En variante, un capillaire, dans lequel circule un 10 second fluide de refroidissement, peut être mis en contact avec le bobinage 8. Dans cette variante de réalisation, l'enceinte réentrante peut contenir un fluide de refroidissement 11 qui est par exemple de l'air. 15 Dans le mode de réalisation illustré sur les figures 1 à 4, la cible 5 est disposée sensiblement au milieu du bobinage 8. En variante, la cible 5 peut être disposée 20 sensiblement à une extrémité du bobinage 8. De cette façon la cible 5 est plus facilement accessible. Dans le mode de réalisation de la figure 1, l'enceinte réentrante 10 comporte un conduit axial 12. 25 Le conduit axial 12 est un conduit traversant sous vide. Il comprend deux extrémités axiales 13, 14, chacune en communication avec l'enceinte sous vide 4. Dans l'exemple de la figure 1, le conduit axial 12 30 s'étend entre ses deux extrémités axiales 13, 14 substantiellement selon la direction de propagation X. Le conduit axial 12 est disposé dans l'enceinte sous vide dans l'axe du laser de façon à être traversé par l'impulsion laser 3.

Ainsi, dans le mode de réalisation illustré figure 1, la cible 5 est localisée dans le conduit axial 12, par exemple localisée sensiblement au milieu du conduit axial 12.

Dans l'exemple de la figure 1, le bobinage 8 comporte deux bobines 15, 16 entourant le conduit axial 12 traversant sous vide. En variante, une seule bobine 15 peut être prévue comme illustré sur le mode de réalisation de la figure 3.

Dans le mode de réalisation où deux bobines 15, 16 sont prévues, les bobines peuvent être séparées par une plaque centrale 17. La plaque centrale 17 est adaptée pour contenir la pression magnétique générée par le bobinage 8.

La plaque centrale 17 est par exemple en acier inoxydable isolé par des feuilles de résine époxy, par exemple des feuilles de résine époxy collées sur l'une ou les faces d'une plaque en acier inoxydable. La plaque centrale peut par exemple être localisée 20 sensiblement au milieu du conduit axial 12. La plaque centrale peut par exemple être localisée sensiblement au niveau de la cible 5. Dans un mode de réalisation illustré plus 25 particulièrement figure 2, l'enceinte réentrante 10 comporte en outre au moins un conduit radial 18 traversant sous vide. Le conduit radial 18 comprend deux extrémités axiales 19, 20, chacune en communication avec l'enceinte 30 sous vide 4. Dans l'exemple de la figure 1, le conduit radial 18 s'étend entre ses deux extrémités axiales 19, 20 substantiellement selon une direction transversale Y substantiellement perpendiculaire à la direction de propagation et à la direction verticale Z. Dans le mode de réalisation des figures 1 à 4, le conduit radial 18 coupe le conduit axial 12 au niveau d'une zone d'intersection 21. le conduit radial 18 peut par exemple être localisée sensiblement au milieu du conduit axial 12. le conduit radial 18 peut par exemple être localisée sensiblement au niveau de la cible 5. Dans l'exemple de la figure 1, la zone 10 d'intersection 21 est ainsi localisée sensiblement au milieu du conduit axial 12 et au niveau de la cible 5. De cette façon, un dispositif de diagnostic 25 du plasma laser 6 peut accéder au plasma laser au moyen du conduit radial 18 comme illustré dans le mode de 15 réalisation de la figure 4. Un tel dispositif de diagnostic 25 comporte par exemple au moins un faisceau laser 26 apte à traverser le plasma laser 6 et à être émis et collecté par des modules 27. 20 Dans le mode de réalisation illustré figure 1, le conduit radial 18 traversant sous vide est localisé au niveau de la plaque centrale 17 séparant les deux bobines 15, 16. De cette façon, la discontinuité magnétique crée 25 par le conduit radial 18 dans le champ magnétique pulsé est minimisée. Les conduits axial 12 et radial 18 sont dimensionnés avec des diamètres et ouvertures angulaires suffisantes pour s'adapter à l'encombrement spatial du ou 30 des faisceaux laser respectifs. Les éléments de l'enceinte réentrante 10, et notamment la plaque centrale G, sont faits au moins en partie en un matériau peu ou pas magnétique, composite ou non, résistant mécaniquement à la pression magnétique et au vide et suffisamment peu conducteur électriquement pour ne pas engendrer trop de pertes par induction, par exemple un acier inoxydable.

L'enceinte sous vide 4 peut être munie d'une fenêtre 22 permettant audit faisceau de particules 7 de quitter la chambre à vide. L'enceinte sous vide 4 peut être munie d'un 10 collimateur 23 permettant d'arrêter des rayonnements ou des particules périphériques à la sortie du dispositif. L'enceinte sous vide 4 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 15 l'uranium. L'enceinte sous vide 4 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 20 de déviation à base de champ magnétiques. L'enceinte sous vide 4 peut être mise et maintenue sous vide au moyen d'une ou de plusieurs pompes à vide 24.

Claims (13)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif de magnétisation de plasma laser par champ magnétique pulsé comportant : une enceinte sous vide (4) dans laquelle est disposée une cible (5) apte à générer un plasma laser (6) lors d'une interaction de la cible avec une impulsion laser (3); et un bobinage (8) alimentable électriquement pour 10 générer un champ magnétique pulsé (9) dans le plasma laser, le dispositif étant caractérisé en ce que le bobinage est disposé dans une enceinte réentrante (10) contenant un fluide de refroidissement (11).
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel 15 l'enceinte réentrante (10) comporte un conduit axial (12) traversant sous vide comprenant deux extrémités axiales (13, 14) chacune des extrémités axiales étant en communication avec l'enceinte sous vide (4).
3. 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel 20 le bobinage (8) comporte au moins une bobine (15) entourant le conduit axial (12) traversant sous vide.
4. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 3, dans lequel le bobinage (8) comporte deux bobines (15, 16) entourant le conduit axial (12) 25 traversant sous vide, lesdites bobines étant séparées par une plaque centrale (17).
5. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l'enceinte réentrante (11) comporte en outre au moins un conduit radial (18) 30 traversant sous vide comprenant deux extrémités radiales (19, 20) chacune des extrémités radiales étant en communication avec l'enceinte sous vide (4).
6. 6. Dispositif selon la revendication 5 en ce qu'elle dépend de la revendication 4, dans lequel le 35 conduit radial (18) traversant sous vide est localisé auniveau de la plaque centrale (17) séparant les deux bobines (15, 16).
7. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la cible (5) est disposée 5 sensiblement au milieu du bobinage (8).
8. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la cible (5) est disposée sensiblement à une extrémité du bobinage (8).
9. 9. Dispositif selon l'une quelconque des 10 revendications 1 à 8, dans lequel le fluide de refroidissement (11) est soit un gaz soit un fluide cryogénique, en particulier de l'azote liquide ou de l'hélium liquide.
10. 10.Dispositif selon l'une quelconque des 15 revendications 1 à 9, dans lequel l'enceinte réentrante (10) comporte un matériau faiblement conducteur résistant au vide, en particulier un acier inoxydable.
11. 11.Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel le champ magnétique 20 pulsé (9) est un champ magnétique dont une intensité est supérieure à quelques Tesla, de préférence supérieure à une dizaine de Tesla, de préférence supérieure à quarante Tesla.
12. 12.Dispositif selon l'une quelconque des 25 revendications 1 à 11, comportant en outre une source laser (2) pour émettre une impulsion laser (3) apte à interagir avec la cible (5) pour générer le plasma laser (6), et dans lequel l'impulsion laser possède une puissance sensiblement comprise entre un gigawatt et un petawatt, notamment entre 30 un térawatt et une centaine de térawatts.
13. 13.Dispositif selon la revendication 12, dans lequel l'impulsion laser (3) possède une durée sensiblement comprise entre une dizaine de femtosecondes et une dizaine de nanosecondes, notamment entre une dizaine de 35 femtosecondes et une dizaine de picosecondes.