FR3028093A1

FR3028093A1 - Lentille laser-plasma

Info

Publication number: FR3028093A1
Application number: FR1460696A
Authority: FR
Inventors: Cedric Thaury; Remi Lehe; Victor Malka; Emilien Guillaume
Original assignee: Ecole Polytechnique; Ecole Nationale Superieure des Techniques Avancees Bretagne
Current assignee: Ecole Polytechnique; Ecole Nationale Superieure des Techniques Avancees Bretagne
Priority date: 2014-11-05
Filing date: 2014-11-05
Publication date: 2016-05-06
Anticipated expiration: 2034-11-05
Also published as: EP3216324B1; US20170323757A1; WO2016071413A1; EP3216324A1; US10249467B2; FR3028093B1

Abstract

L'invention concerne un dispositif (10) de collimation ou de focalisation d'un paquet d'électrons relativistes (12), notamment obtenu par accélération laser-plasma, comprenant un nuage de gaz (14) et un laser 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 (22). L'invention se rapporte également à un dispositif d'émission d'un paquet d'électrons relativistes collimatés ou focalisés. L'invention vise encore un procédé de collimation ou de focalisation d'un paquet d'électrons relativistes et des procédés d'émission d'un paquet d'électrons relativistes collimatés ou focalisés.

Description

LENTILLE LASER PLASMA La présente invention concerne un dispositif et un procédé de collimation ou de focalisation d'un paquet d'électrons, ainsi qu'un dispositif et un procédé d'émission d'un paquet d'électrons relativistes. 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. Ce procédé présente de nombreux avantages par rapport aux techniques conventionnelles d'accélération d'électrons. Notamment, ce procédé peut être mis en oeuvre 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. 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 oeuvre 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. L'invention répond à ce besoin en proposant un dispositif de collimation ou de focalisation d'un paquet d'électrons relativistes, notamment obtenu par accélération laser-plasma, comprenant un nuage de gaz et un laser adapté à émettre une impulsion laser focalisée dans le nuage de gaz pour y créer une onde de champs électriques et magnétiques focalisants. 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. L'invention se rapporte également à un dispositif d'émission d'un paquet d'électrons relativistes collimatés ou focalisés, comprenant : - 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. Selon une première variante, 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.

Selon une autre variante, le dispositif d'émission d'un paquet d'électrons relativistes collimatés ou focalisés comporte un ou deux lasers distincts adapté(s) 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' et 1.10 cm'. 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. La distance entre le premier nuage de gaz et le nuage de gaz du dispositif de collimation ou de focalisation est supérieure à 300 ùm 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. La largeur du nuage de gaz du dispositif de collimation ou de focalisation peut être comprise entre 10 ùm et 2 mm. Dans le cas où un unique faisceau laser est mis en oeuvre, 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 se rapporte à un procédé de collimation ou de focalisation d'un paquet d'électrons relativistes, notamment au moyen d'un dispositif de collimation ou de focalisation tel que décrit ci-avant, comprenant les étapes consistant à : émettre une impulsion laser focalisée dans un nuage de gaz pour y créer une onde de champs électriques et magnétiques focalisants, et - soumettre le paquet d'électrons relativistes à ladite onde de champs électriques et magnétiques focalisants. L'invention vise aussi un procédé d'émission d'un paquet d'électrons relativistes collimatés ou focalisés, comprenant les étapes consistant à : émettre une 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, l'impulsion laser étant également 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, - soumettre le paquet d'électrons relativistes à l'onde de champs électriques et magnétiques focalisants. L'invention se rapporte encore 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 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 iam 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' et 1.10 cm'. 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 30 longueur du deuxième nuage de gaz et de la distance entre les deux nuages de gaz.

La largeur du nuage de gaz ou du deuxième nuage de gaz, le cas échéant, peut être comprise entre 10 i.tm et 2 mm. L'impulsion laser ou la deuxième impulsion laser, le cas échéant, 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 relativistes ; - la figure 2 illustre schématiquement un exemple de dispositif d'émission d'un paquet d'électrons relativistes collimatés ou focalisés, mettant en oeuvre une unique impulsion laser ; - 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, mettant en oeuvre 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 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 largueur du nuage de gaz est par exemple comprise entre 10 i.tm et 2 mm. Un tel dispositif permet de mettre en oeuvre 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.

La figure 2 représente un dispositif d'émission d'un paquet d'électrons relativistes collimatés ou focalisés 100 selon un premier exemple, mettant en oeuvre 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 10" molécules par cm'. 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 (0, x, y) normal à la direction de propagation z du paquet d'électrons, et - Ox représente l'angle entre l'axe de propagation z du paquet d'électron et le vecteur vitesse de l'électron, dans un plan (0, y, z). Ce portrait de phase, sous forme d'une ellipse allongée dans la direction Ox, 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. La distance d entre les premier et deuxième nuages de gaz 24, 14 est par exemple supérieure à 300 i.tm 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 Ox. Puis, le paquet d'électrons relativistes 12 pénètre dans le deuxième nuage de gaz 14. 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 Ox<0 et inversement (en d'autres termes, on réalise un portrait de phase sensiblement symétrique, par rapport à l'axe Ox, 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. 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 cm'. 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 oeuvre 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. 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 un deuxième exemple. Ce dispositif 200 se distingue du dispositif 100 de la figure 2 essentiellement en ce qu'il met en oeuvre deux impulsions laser 18, 34, par exemple issues d'un même laser et séparées en amont du premier nuage de gaz 24.

Le 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. Ce 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 cm' pour que le sillage de la deuxième impulsion laser englobe la totalité du paquet d'électrons 12.

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 de 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 oeuvre le procédé d'émission d'un paquet d'électrons relativistes collimatés ou focalisés suivant. 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 ne se limite pas aux seuls exemples de réalisation décrit ci-avant en regard des figures, à titre d'exemples illustratifs et non limitatifs. En particulier, le ou chaque nuage de gaz peut être obtenu en mettant en oeuvre 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

REVENDICATIONS1. Dispositif (10) de collimation ou de focalisation d'un paquet d'électrons relativistes (12), notamment obtenu par accélération laser-plasma, comprenant un nuage de gaz (14) et un laser 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 (22).
2. Dispositif (100; 200) d'émission d'un paquet d'électrons relativistes collimatés ou focalisés, comprenant : - un premier nuage de gaz (24), - un laser adapté à émettre une impulsion laser (18) focalisée dans le premier nuage de gaz (24) pour y créer une première onde de champs électriques et magnétiques d'accélération 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) selon la revendication précédente, 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).
3. Dispositif selon la revendication précédente, comprenant un unique laser adapté à émettre une impulsion laser (18) focalisée à la fois dans le premier nuage de gaz (24) pour y créer une première onde de champs électriques et magnétiques d'accélération d'électrons présents dans le premier nuage de gaz (24), et dans le nuage de gaz (14) du dispositif de collimation ou de focalisation (10) pour y créer une onde de champs électriques et magnétiques focalisants.
4. Dispositif selon la revendication 2, comprenant deux lasers distincts adaptés à émettre deux impulsions laser distinctes (18; 34), dont l'une est focalisée dans le premier nuage de gaz (24) pour y créer une première onde de champs électriques etmagnétiques d'accélération d'électrons présents dans le premier nuage de gaz (24), et dont l'autre est focalisée dans le nuage de gaz (14) du dispositif de collimation ou de focalisation (10) pour y créer une onde de champs électriques et magnétiques focalisants.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, 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 i.tm et/ou inférieure à 5 mm, de préférence inférieure à 2 mm.
6. Dispositif 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).
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la largeur du nuage de gaz (14) du dispositif de collimation ou de focalisation (10) est comprise entre 10 i.tm et 2 mm. 20
8. Dispositif 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) aune durée comprise entre 5 et 500 femtosecondes et/ou une puissance crête comprise entre 10 terawatt et 10 petawatt. 25
9. Procédé de collimation ou de focalisation d'un paquet d'électrons relativistes (12), notamment au moyen d'un dispositif de collimation ou de focalisation (10) selon la revendication 1, comprenant les étapes consistant à: - émettre une impulsion laser (18) focalisée dans un nuage de gaz ionisable (14) pour y créer une onde de champs électriques et magnétiques focalisants (22), et 30 - soumettre le paquet d'électrons relativistes (12) à ladite onde de champs électriques et magnétiques focalisants (22). 10 15
10. Procédé d'émission d'un paquet d'électrons relativistes collimatés ou focalisés, comprenant les étapes consistant à: - émettre une impulsion laser (18) focalisée dans un premier nuage de gaz (24) 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 (12) qui se propage à l'extérieur du premier nuage de gaz (24), l'impulsion laser (18) étant également 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 ionisable (14), - soumettre le paquet d'électrons relativistes (12) à l'onde de champs électriques et magnétiques focalisants (22).
11. 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 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), - émettre une deuxième impulsion laser (18) 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), et - soumettre le paquet d'électrons relativistes (12) à l'onde de champs électriques et magnétiques focalisants (22).
12. Procédé selon la revendication 10 ou 11, dans lequel la distance entre le premier nuage de gaz (24) et le deuxième nuage de gaz (14) est supérieure à 300 i.tm et/ou inférieure à 5 mm, de préférence inférieure à 2 mm.30
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, dans lequel la largeur du nuage de gaz ou du deuxième nuage de gaz (14), le cas échéant, est comprise entre 10 i.tm et 2 mm.
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 13, dans lequel l'impulsion laser ou la deuxième impulsion laser (18), le cas échéant, a une durée comprise entre 5 et 500 femtosecondes, et/ou une puissance crête comprise entre 10 terawatt et 10 petawatt.