WO2022200616A1 - Accélérateur laser-plasma à train d'impulsions - Google Patents

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WO2022200616A1
WO2022200616A1 PCT/EP2022/058016 EP2022058016W WO2022200616A1 WO 2022200616 A1 WO2022200616 A1 WO 2022200616A1 EP 2022058016 W EP2022058016 W EP 2022058016W WO 2022200616 A1 WO2022200616 A1 WO 2022200616A1
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WO
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laser
plasma
pulse
pulses
train
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/058016
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English (en)
Inventor
Igor ANDRIYASH
Cédric Thaury
Alessandro FLACCO
Original Assignee
Ecole Polytechnique
Ecole Nationale Superieure Des Techniques Avancees
Centre National De La Recherche Scientifique
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/50—Means for increasing contact pressure, preventing vibration of contacts, holding contacts together after engagement, or biasing contacts to the open position
    • H01H1/54—Means for increasing contact pressure, preventing vibration of contacts, holding contacts together after engagement, or biasing contacts to the open position by magnetic force
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H15/00—Switches having rectilinearly-movable operating part or parts adapted for actuation in opposite directions, e.g. slide switch
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S3/0057—Temporal shaping, e.g. pulse compression, frequency chirping
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/10—Nuclear fusion reactors

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing energetic electron beams using a laser-plasma accelerator.
  • a laser-plasma accelerator comprises a laser and a device generating a cloud of gas in a vacuum chamber.
  • laser-plasma accelerators make it possible to produce energetic electron beams by focusing an intense laser pulse in a cloud of gas.
  • the laser-plasma accelerator uses a laser to create a wake wave in a plasma. This wave is formed by plasma electrons which are not accelerated. Instead, the wave generates an accelerating field in which other electrons are accelerated over very short distances to very high energies.
  • the aim of the invention is to increase the charge of accelerated electron beams in laser-plasma accelerators.
  • Another object of the invention is a new accelerator using a lower power laser for a level of charge equivalent to current systems.
  • Another object of the invention is to propose an improvement that is simple to implement and inexpensive.
  • At least one of the aforementioned objectives is achieved with a method for producing energetic electron beams by means of a laser-plasma accelerator comprising a laser and a device for generating a cloud of gas in a vacuum chamber, the method comprising a step of generating at least one laser pulse which is focused in the gas cloud so as to create a plasma.
  • the step of generating at least one laser pulse comprises at least the generation of a train of laser pulses with a delay between two successive laser pulses comprised between three times and thirty times the plasma period T P , such as :
  • the method according to the invention can for example be implemented by using a processing unit to control the laser and various components.
  • the gas cloud can come from a gas jet, gas-filled cells or any other device capable of generating a gas cloud in a vacuum space.
  • a train of pulses is used instead of a single laser pulse.
  • Each pulse accelerates electrons in its wake, so that a train of bunches of electrons is produced.
  • the present invention is notably remarkable for the fact that the technique defined is less sensitive to the space charge. This is an important criterion for applications combining high load and low energy.
  • the electrons at the exit of the accelerator repel each other and their divergence can increase very strongly, which can be problematic for their use.
  • the impact of this phenomenon is greatly reduced.
  • the inventors have realized that by separating the laser pulses with a duration between three times and thirty times the plasma period, a maximum of electrons are trapped in the ionic cavities formed in the wake of the laser pulse. .
  • the first pulse ionizes the gas and forms a wake wave in which electrons are trapped and accelerated.
  • the second pulse forms a second wake where a new bunch of electrons is trapped and accelerated, and so on.
  • a laser-plasma acceleration is obtained offering an inexpensive and small-sized laser because the power can be lower than for the lasers of the prior art.
  • the installation can be compact with the possibility of producing electron beams and X-rays from 1 to 200 MeV.
  • the method according to the invention proposes an improvement that is simple to implement and makes it possible to significantly improve the performance of laser-plasma accelerators for radiography and therefore to reduce their cost.
  • An increase in the electron load by a factor of two almost halves the cost of the laser, which is the most expensive element of a laser-plasma accelerator.
  • the duration of each pulse can be between 5 femtoseconds and 100 femtoseconds.
  • the total number of pulses in the laser pulse train can be between 2 and 200, or between 2 and 100 or ideally between 2 and 40. With the range of 2 to 40 pulses, or even from 2 to 30 pulses, it is ensured that the ions are still close to the optical axis. Beyond that, the ions begin to deviate significantly from the optical axis due to radial acceleration by charge separation. In other words, each laser pulse pulls electrons away from the optical axis. These electrons are then called back towards the optical axis by the ions and oscillate. On average, there are more ions on the optical axis and more electrons around the optical axis. This generates an electric field that accelerates the ions sideways.
  • the total laser energy at the output of the laser can be between 100 mJ and 20 J.
  • the laser used can generate a beam of energy lower than the energy of the lasers of the prior art.
  • the repetition of the pulses according to the invention makes it possible to increase the overall charge of the electrons.
  • the energy per laser pulse can be between 25 mJ and 2 J. In this range of energies, in most cases, we remain below the threshold of the energy capable of saturating the charge of the packet of electrons.
  • the laser can emit a laser beam having a wavelength of 800 nm.
  • a wavelength of 800 nm one can for example use a Ti:Sapphire laser but other wavelengths such as in the visible or near infrared are possible.
  • all the laser pulses can have the same wavelength or different wavelengths comprising a wavelength and harmonics.
  • the laser beam can be focused so that each pulse of the train of laser pulses reaches in the gas cloud an illumination greater than 10 17 Wcm -2 . With such an intensity, it is ensured that each pulse effectively excites only a plasma wave.
  • the gas can comprise one or a mixture of the following gases: He, H2, Ar, N2. Other gases can be used.
  • the electron density of the plasma n can be between 10 18 cm -3 and 10 21 cm -3 , preferably between 5 ⁇ 10 18 cm -3 and 5 ⁇ 10 19 cm -3 .
  • the electron density is defined as being the number of free electrons per cm3, after ionization of the gas. For helium for example, this corresponds to the density of the gas, for H2 to 2 times the density of the gas...
  • the gas cloud is produced either continuously or pulsed at the frequency of the laser pulses.
  • the gas cloud can be emitted in an impulsive manner at the frequency of laser pulses with an opening duration greater than 1ms.
  • the length of the plasma can be between 0.02mm and 100mm, preferably between 0.1mm and 3mm.
  • a laser-plasma accelerator for producing energetic electron beams by implementing a method as described above; the laser-plasma accelerator comprising: - a laser to emit a laser beam, - a laser compressor, - a pulse train laser beam splitter, - a gas cloud production device in a vacuum chamber, - a focusing lens.
  • said laser can be a laser integrating the technique of frequency drift amplification (CPA for “Chirped Pulse Amplification”).
  • CPA frequency drift amplification
  • the principle of the CPA technique is to spread a laser pulse before amplification.
  • the different components of the laser pulse are delayed relative to each other and pass in turn through the amplifying medium.
  • the pulse is recombined, thus restoring to it the total power of each of the frequencies.
  • CPA 1 laser emitting at 800nm with an energy of 1J.
  • This laser is designed to emit an initial laser pulse with a duration of 30 fs.
  • a laser compressor 2 compresses this initial laser pulse before supplying a divider 3 which generates a train of 8 pulses each having an energy of the order of 125 mJ.
  • this pulse is cut into several pulses so as to constitute a train of pulses according to the invention. The goal is to lower the energy for each pulse in the pulse train and multiply the number of laser pulses that accelerate electrons in their wake.
  • the divider 3 can be placed downstream of the laser compressor 2 as shown in the or upstream as represented by the dotted box 3' on the . It is also possible to envisage the use of a laser capable of generating femtosecond pulses at the desired energy levels. Such a laser can be considered as integrating a pulse train divider as represented by the dotted box 3''.
  • the gas injector 6 is capable of producing a cloud of gas 8, such as helium, along for example a vertical axis inside the vacuum enclosure.
  • the optical focusing assembly 5 comprises two mirrors, the arrangement of which makes it possible to guide and focus the train of pulses 7 coming from the laser-compressor-splitter assembly in the gas jet 8.
  • the train of pulses 7 crosses the cloud of gas 8 at a right angle but other arrangements allowing different angles to be envisaged.
  • pulse train 7 can collide with gas cloud 8 at an oblique angle so as, for example, to increase the distance traveled by pulse train 7 in gas cloud 8.
  • section of the gas cloud 8 can have different shapes such as circular, rectangular, square, oval, elliptical, etc.
  • the laser-compressor-splitter assembly is configured so that the intensity of each pulse reaching the gas cloud 8 is equal to or greater than 10 17 Wcm-2.
  • the gas is ionized by the rising edge of the first pulse in the train. Then all the other laser pulses in the train see a plasma directly.
  • Each train of pulses encounters a new gas cloud, for example every s, 10ms, or 100ms... depending on the rate.
  • the pulse train 7 crosses the gas cloud 8 by creating packets of electrons which accompany the crossing of the pulse train and are transformed into an electron beam 9 at the exit of the gas cloud.
  • the electron density of the plasma can be calculated or estimated.
  • the electronic density of the plasma is of the order of 2e19 cm-3.
  • the invention is particularly remarkable in that the frequency of the pulses in the pulse train is between three times and thirty times the plasma period. With a frequency defined in this interval, the successive pulses in the pulse train make it possible to produce energetic electron beams with a maximum of electrons.
  • the system according to the invention depending on the targeted application, it is possible to define an optimal laser energy making it possible to produce electrons having the characteristics necessary for the targeted application.
  • This laser energy is optimal because it allows these electrons to be produced most efficiently per laser joule. For example, it is different if the aim is to produce electrons at 5 MeV or at 100 MeV.
  • the accelerator according to the invention makes it possible to easily control the electron beam generated while maintaining an average energy of approximately 4 MeV.
  • a single high-energy pulse is not used, but a train of pulses with a delay between two pulses of the order of a hundred femtoseconds for example. Each pulse accelerates electrons in its wake so that a train of electron bunches is created.
  • Each laser pulse creates a plasma wave consisting of several ion cavities.
  • the accelerated electrons are inside close to the optical axis . Initially they are injected at the rear, then move forward during acceleration. In some cases, electrons are continuously injected; they can therefore ultimately occupy the entire optical axis inside the ion cavity. For each ion cavity, a ponderomotive force expels the electrons from the optical axis.
  • the ion cavity 11 formed in the wake of the pulse 10 can be seen. This is for example an elongated ellipsoid in the direction of propagation. A part of the ion cavity overlaps with a rear part of the pulse. In the example of the , the large part of the ion cavity extends outside the pulse.
  • the backward or forward direction is defined according to the direction of propagation of the laser pulse.
  • This ionic cavity is the place of competition of two electric fields.
  • a decelerating electric field is present in front of the ion cavity in the area overlapping with part of the pulse.
  • An accelerating electric field is present at the back, in the cavity and accelerates the electrons.
  • the electrons that form the ion cavity are not the same over time; at each instant new electrons form the ionic cavity. They do not follow the laser pulse.
  • electrons that form the cavity gain enough energy to be injected back, as shown in the . This is not always the case, especially when using Ar or N2, or a mixture containing one of these gases. In this case, it is the core electrons of these atoms which are torn from the ions and injected directly into the ion cavity.
  • the ion cavity 11 of the has a diameter along the axis of propagation of approximately 10 ⁇ m.
  • the present invention proposes a train of pulses, with a delay of the order of a hundred femtoseconds between two successive pulses. Each pulse accelerates electrons in its wake, so that a train of bunches of electrons is produced.

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Abstract

L'invention concerne un procédé pour produire des faisceaux d'électrons énergétiques au moyen d'un accélérateur laser-plasma comprenant un laser et un dispositif de production de nuage de gaz dans une enceinte sous vide, le procédé comprenant une étape de génération d'au moins une impulsion laser qui est focalisée dans le nuage de gaz de façon à créer un plasma. L'étape de génération d'au moins une impulsion laser comprend au moins la génération d'un train d'impulsions laser avec un délai entre deux impulsions laser successives compris entre trois fois et trente fois la période plasma TP, telle que : TP= λp/c, λp étant la longueur d'onde plasma définie par: λp= (2π/C) * (n e2 / (m ε0 ))-1/2, avec c la célérité de la lumière, n la densité électronique du plasma en cm3, e=1,6e-19 C la charge électronique, m=9,1e-31 kg la masse électronique, et ε0 = 8,85 x 10-12 m-3 kg-1 s4 A2 la permittivité du vide.

Description

Accélérateur laser-plasma à train d’impulsions
La présente invention se rapporte à un procédé pour produire des faisceaux d’électrons énergétiques au moyen d’un accélérateur laser-plasma. Un tel accélérateur comprend un laser et un dispositif générant un nuage de gaz dans une enceinte sous vide.
 Etat de la technique
D’une façon générale, les accélérateurs laser-plasma permettent de produire des faisceaux d’électrons énergétiques en focalisant une impulsion laser intense dans un nuage de gaz.
L’accélérateur laser-plasma utilise un laser pour créer une onde de sillage dans un plasma. Cette onde est formée par des électrons du plasma qui ne sont pas accélérés. En revanche, l’onde génère un champ accélérateur dans lequel d’autres électrons sont accélérés sur de très courtes distances jusqu’à des énergies très élevées.
Dans la plupart des régimes d’accélération, la charge du paquet d’électrons augmente linéairement avec l’énergie laser, puis sature quand cette énergie dépasse un certain seuil qui dépend des conditions d’interaction.
On connaît le document US5637966A décrivant une génération de train d’impulsions laser avec une fréquence des impulsions optimisée pour avoir une excitation résonnante de l’onde plasma. L’objectif est d’exciter efficacement une onde plasma avec des impulsions de faible énergie. Cependant, la technique décrite est complexe car nécessite de garder le train d’impulsion résonnant avec l’onde plasma sur des longueurs importantes.
Le document Meng Wen et AL, « Generation of high charged energetic electrons by using multiparallel laser pulses », PHYSICS OF PLASMAS 17, 103113 (2010), décrit une méthode de génération d’impulsions laser en parallèle pour obtenir une grande quantité d'électrons énergétiques. La méthode décrite dans ce document est difficile à mettre en œuvre. Il faut notamment, utiliser des lames de phase fragiles et onéreuses qui ne fonctionnent que pour une configuration donnée sans possibilité de réglage. Les différents faisceaux laser doivent être séparés sur une distance assez importante pour éviter qu’ils fusionnent lors de leur propagation dans le laser. En conséquence la taille de source globale de la source d’électrons est large.
Le document Paolo Tomassini et AL, « The resonant multi-pulse ionization injection », PHYSICS OF PLASMAS 24, 103120 (2017), décrit la génération d’un train d’impulsions ultra-courtes résonantes. Il s’agit d’une technique pour piéger des électrons de qualité dans l’onde plasma. Cette technique est très complexe à mettre en œuvre.
On connaît également le document Craig W. Siders et AL, « Efficient high-energy pulse-train generation using a 2n-pulse Michelson interferometer » - APPLIED OPTICS 22, 5302-5305 (1998), décrit un multiplexeur ultrarapide permettant la génération de trains d'impulsions à haute énergie. Les espacements entre les impulsions dans le train d'impulsions sont ajustables. Il s’agit d’une technique pour générer des impulsions multiples. Elle peut être complexe à mettre en œuvre car elle modifie l’état de polarisation du laser.
L’invention a pour but d’augmenter la charge des faisceaux d’électrons accélérés dans les accélérateurs laser-plasma.
Un autre but de l’invention est un nouvel accélérateur utilisant un laser de plus faible puissance pour un niveau de charge équivalent aux systèmes actuels.
Un autre but de l’invention est de proposer une amélioration simple à mettre en œuvre et peu onéreux.
On atteint au moins l’un des objectifs précités avec un procédé pour produire des faisceaux d’électrons énergétiques au moyen d’un accélérateur laser-plasma comprenant un laser et un dispositif de génération d’un nuage de gaz dans une enceinte sous vide, le procédé comprenant une étape de génération d’au moins une impulsion laser qui est focalisée dans le nuage de gaz de façon à créer un plasma. Selon l’invention, l’étape de génération d’au moins une impulsion laser comprend au moins la génération d’un train d’impulsions laser avec un délai entre deux impulsions laser successives compris entre trois fois et trente fois la période plasma TP, telle que :
Tp= λp/c
λp étant la longueur d’onde plasma définie par: λp= (2π/c) * (n e² / (m ε0 ))- 1/2 , avec c la célérité de la lumière, n la densité électronique du plasma en cm-3, e=1,6e-19 C la charge électronique, m=9,1e-31 kg la masse électronique, et ε0 = 8,85 × 10-12 m-3 kg-1 s4 A2 la permittivité du vide.
Le procédé selon l’invention peut par exemple être mis en œuvre en utilisant une unité de traitement pour commander le laser et différents composants.
Avantageusement la longueur d’onde plasma définie par λp= (2π/c) * (n e² / (m ε0 ))- 1/2 peut être estimée avec la formule λp ~3,3 n -1/2 104 m.
Le nuage de gaz peut provenir d’un jet de gaz, de cellules remplis de gaz ou tout autre dispositif capable de générer un nuage de gaz dans un espace sous vide.
Avec le procédé selon l’invention, on utilise, à la place d’une impulsion laser unique, un train d’impulsions. Chaque impulsion accélère des électrons dans son sillage, si bien que l’on produit un train de paquets d’électrons.
On peut alors envisager un fonctionnement linéaire dans lequel la charge d’électrons augmente linéairement avec l’énergie laser. Ceci permet d’augmenter l’efficacité des accélérateurs laser-plasma, notamment pour des applications en radiobiologie, ou radiographie industrielle.
On peut également envisager un régime où la charge ne varie pas linéairement avec l’énergie. Dans ce cas, on peut travailler à énergie laser constante déterminée pour donner la meilleure efficacité, c’est à dire une condition dans laquelle le pourcentage d’énergie transférée du laser vers les électrons aux caractéristiques souhaitées est maximum.
En effet, il n’est pas toujours opportun de maximiser la charge totale. Pour certaines applications, il faut maximiser la charge en dessous de 10 MeV. L’énergie maximisant la charge à 10 MeV par Joule laser sera différente de celle maximisant la charge à 100 MeV.
La présente invention est notamment remarquable par le fait la technique définie est moins sensible à la charge d'espace. Il s’agit d’un critère important pour des applications alliant forte charge et faible énergie. Dans ce cas, les électrons à la sortie de l'accélérateur se repoussent et leur divergence peut augmenter très fortement, ce qui peut être problématique pour leur utilisation. En étalant dans le temps les électrons comme dans la présente invention, on réduit fortement l'impact de ce phénomène.
Les inventeurs se sont rendus compte qu’en séparant les impulsions laser d’une durée comprise entre trois fois et trente fois la période plasma, un maximum d’électrons est pris au piège dans les cavités ioniques formées dans le sillage de l’impulsion laser.
En d’autres termes, en focalisant dans un nuage de gaz des impulsions laser séparées conformément à l’invention, la première impulsion ionise le gaz et forme une onde de sillage dans laquelle sont piégés et accélérés des électrons. La deuxième impulsion forme un second sillage où un nouveau paquet d’électrons est piégé et accéléré, et ainsi de suite.
Avec le procédé selon l’invention, on obtient un accélération laser-plasma proposant un laser peu onéreux et de faible taille car la puissance peut être plus faible que pour les lasers de l’art antérieur. L’installation peut être compacte avec la possibilité de produire des faisceaux d’électrons et des rayons X de 1 à 200 MeV.
Le procédé selon l’invention propose une amélioration simple à mettre en œuvre et permet d’améliorer significativement les performances des accélérateurs laser-plasma pour la radiographie et donc de diminuer leur coût. Une augmentation de la charge d’électrons d’un facteur deux divise quasiment par deux le coût du laser, qui est l’élément le plus cher d’un accélérateur laser-plasma.
Selon une caractéristique avantageuse de l’invention, la durée de chaque impulsion peut être comprise entre 5 femtosecondes et 100 femtosecondes.
Selon un mode de réalisation, le nombre total d’impulsions dans le train d’impulsions laser peut être compris entre 2 et 200, ou entre 2 et 100 ou idéalement entre 2 et 40. Avec la plage de 2 à 40 impulsions, ou même de 2 à 30 impulsions, on s’assure d’avoir les ions encore proches de l’axe optique. Au-delà, les ions commencent à s’écarter significativement de l’axe optique du fait d’une accélération radiale par la séparation de charge. En d’autres termes, chaque impulsion laser écarte les électrons de l’axe optique. Ces électrons sont ensuite rappelés vers l’axe optique par les ions et oscillent. En moyenne, il y a plus d’ions sur l’axe optique et plus d’électrons autour de l’axe optique. Cela génère un champ électrique qui accélère les ions vers les côtés.
Au-delà de 40 impulsions, on peut envisager par exemple un fonctionnement à faible puissance crête avec des impulsions de quelques femtosecondes.
Avantageusement, l’énergie laser totale en sortie du laser peut être comprise entre 100 mJ et 20 J. Le laser utilisé peut générer un faisceau d’énergie inférieure à l’énergie des lasers de l’art antérieur. En effet, la répétition des impulsions selon l’invention permet d’augmenter la charge globale des électrons.
Selon l’invention, l’énergie par impulsion laser peut être comprise entre 25 mJ et 2 J. Dans cette plage d’énergies, dans la plupart des cas, on reste en dessous du seuil de l’énergie apte à saturer la charge du paquet d’électrons.
Selon une caractéristique avantageuse de l’invention, le laser peut émettre un faisceau laser ayant une longueur d’onde de 800nm. Pour une telle longueur d’onde, on peut par exemple utiliser un laser Ti :Saphir mais d’autres longueurs d’ondes telles que dans le visible ou proche infrarouge sont envisageables.
Avantageusement, toutes les impulsions laser peuvent présenter une même longueur d’onde ou des longueurs d’ondes différentes comprenant une longueur d’onde et des harmoniques. En d’autres termes, on peut utiliser une impulsion à une longueur d’onde donnée et d’autres impulsions à des longueurs d’ondes harmoniques de ladite longueur d’onde donnée. A titre d’exemple, on peut envisager une alternance d’impulsions à w et 2w, ou un train complet à 2w.
Selon une caractéristique de l’invention, le faisceau laser peut être focalisé de façon à ce que chaque impulsion du train d’impulsions laser atteigne dans le nuage de gaz un éclairement supérieur à 1017 Wcm-2. Avec une telle intensité, on s’assure que chaque impulsion excite efficacement seule une onde plasma.
Avantageusement, le gaz peut comprendre l’un ou un mélange des gaz suivants : He, H2, Ar, N2. D’autres gaz peuvent être utilisés.
Selon l’invention, la densité électronique du plasma n peut être comprise entre 1018 cm-3 et 1021 cm-3, préférentiellement entre 5×1018 cm-3 et 5×1019 cm-3. La densité électronique est définie comme étant le nombre d’électrons libres par cm³, après ionisation du gaz. Pour de l’hélium par exemple, cela correspond à la densité du gaz, pour H2 à 2 fois la densité du gaz...
Avantageusement, le nuage de gaz est produit soit de façon continue, soit de façon impulsionnelle à la fréquence des impulsions laser.
Plus précisément, le nuage de gaz peut être émis de façon impulsionnelle à la fréquence des impulsions laser avec une durée d’ouverture supérieure à 1ms.
Selon une caractéristique avantageuse de l’invention, la longueur du plasma peut être comprise entre 0,02mm et 100mm, préférentiellement entre 0,1mm et 3mm.
Selon un autre aspect de l’invention, il est proposé un accélérateur laser-plasma pour produire des faisceaux d’électrons énergétiques en mettant en œuvre un procédé tel que décrit ci-dessus ; l’accélérateur laser-plasma comprenant :
- un laser pour émettre un faisceau laser,
- un compresseur laser,
- un diviseur du faisceau laser en train d’impulsions,
- un dispositif de production de nuage de gaz dans une enceinte sous vide,
- une optique de focalisation.
Selon l’invention, ledit laser peut être un laser intégrant la technique d’amplification à dérive de fréquence (CPA pour « Chirped Pulse Amplification »). Le principe de la technique CPA est d’étaler une impulsion laser avant amplification. Ainsi les différentes composantes de l’impulsion laser sont retardées les unes par rapport aux autres et passent tour à tour dans le milieu amplificateur. Une fois toutes les fréquences amplifiées, l’impulsion est recombinée, lui restituant ainsi la puissance totale de chacune des fréquences.
D’autres avantages et particularités de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en œuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés suivants.
 : La est une vue schématique générale d’un accélérateur laser-plasma selon l’invention ;
 : La est une vue schématique d’un nuage de gaz traversé par un train d’impulsions laser selon l’invention ;
 : La est une vue schématique d’une onde plasma formée après une impulsion laser selon l’invention ;
 : La est une représentation graphique illustrant une cavité ionique produite à la suite d’une impulsion laser selon l’invention.
Description détaillée des figures
Les modes de réalisation qui seront décrits dans la suite ne sont nullement limitatifs; on pourra notamment mettre en œuvre des variantes de l’invention ne comprenant qu’une sélection de caractéristiques décrites par la suite isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieur. Cette sélection comprend au moins une caractéristique de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieur.
En particulier toutes les variantes et tous les modes de réalisation décrits sont prévus pour être combinés entre eux dans toutes les combinaisons où rien ne s’y oppose sur le plan technique.
Sur la , on distingue un laser CPA 1 émettant à 800nm avec une énergie de 1J. Ce laser est prévu pour émettre une impulsion laser initiale d’une durée de 30 fs. Un compresseur laser 2 compresse cette impulsion laser initiale avant d’alimenter un diviseur 3 qui génère un train de 8 impulsions présentant chacune une énergie de l’ordre de 125 mJ. En d’autres termes, à chaque impulsion laser initiale, on découpe cette impulsion en plusieurs impulsions de façon à constituer un train d’impulsions selon l’invention. L’objectif est de baisser l’énergie pour chaque impulsion du train d’impulsions et de multiplier le nombre d’impulsions laser qui accélèrent des électrons dans leur sillage.
Le diviseur 3 peut être placé en aval du compresseur laser 2 comme représenté sur la ou en amont comme représenté par le cadre en pointillé 3’ sur la . On peut également envisager l’utilisation d’un laser apte à générer des impulsions femtosecondes à des niveaux d’énergie souhaités. Un tel laser peut être considéré comme intégrant un diviseur en train d’impulsions comme représenté par le cadre en pointillé 3’’.
Sur la , on distingue également une enceinte sous vide 4 dans laquelle sont disposés un ensemble optique de focalisation 5 et un injecteur à gaz 6.
L’injecteur à gaz 6 est apte à produire un nuage de gaz 8, tel que de l’hélium, selon par exemple un axe vertical à l’intérieur de l’enceinte sous vide.
L’ensemble optique de focalisation 5 comprend deux miroirs dont l’arrangement permet de guider et focaliser le train d’impulsions 7 provenant de l’ensemble laser-compresseur-diviseur dans le jet de gaz 8. Idéalement le train d’impulsions 7 traverse le nuage de gaz 8 selon un angle droit mais d’autres dispositions permettant d’avoir des angles différents sont envisageables. Notamment le train d’impulsions 7 peut entrer en collision avec le nuage de gaz 8 selon un angle oblique de façon par exemple d’augmenter la distance parcourue par le train d’impulsions 7 dans le nuage de gaz 8.
Par ailleurs, la section du nuage de gaz 8 peut présenter différentes formes telles que circulaire, rectangulaire, carré, ovale, elliptique, …
L’ensemble laser-compresseur-diviseur est configuré pour que l’intensité de chaque impulsion atteignant le nuage de gaz 8 soit égale ou supérieure à 1017 Wcm-2. Pour chaque train d’impulsions, le gaz est ionisé par le front montant de la première impulsion du train. Ensuite, toutes les autres impulsions laser du train voient directement un plasma. Chaque train d’impulsions rencontre un nouveau nuage de gaz, par exemple toutes les s, 10ms, ou 100 ms… selon la cadence.
En sortie du gaz on retrouve le train d’impulsions 7 ainsi qu’un faisceau d’électrons 9 provenant du nuage de gaz.
Sur la , on distingue l’injecteur 6 diffusant un nuage de gaz de section circulaire selon un axe vertical. Le train d’impulsions 7 traverse le nuage de gaz 8 en créant des paquets d’électrons qui accompagnent la traversée du train d’impulsions et se transforment en faisceau d’électrons 9 en sortie du nuage de gaz.
En fonction du gaz utilisé, la densité électronique du plasma peut être calculé ou estimé. En l’occurrence, dans l’exemple décrit d’utilisation de l’hélium, la densité électronique du plasma est de l’ordre de 2e19 cm-3. On peut ainsi calculer la période plasma TP, telle que :
Tp= λp/c
λp étant la longueur d’onde plasma définie par: λp = (2π/c) * (n e² / (m ε0 ))- 1/2 , avec c la célérité de la lumière, n la densité électronique du plasma en cm-3, e=1,6e-19 C la charge électronique, m=9,1e-31 kg la masse électronique, et ε0 = 8,85 × 10-12 m-3 kg-1 s4 A2 la permittivité du vide.
L’invention est notamment remarquable en ce que la fréquence des impulsions dans le train d’impulsions est comprise entre trois fois et trente fois la période plasma. Avec une fréquence définie dans cet intervalle, les impulsions successives dans le train d’impulsion permettent de produire des faisceaux d’électrons énergétiques avec un maximum d’électrons.
Avec le système selon l’invention, en fonction de l’application visée, on peut définir une énergie laser optimale permettant de produire des électrons ayant des caractéristiques nécessaires à l’application visée. Cette énergie laser est optimale car elle permet de produire ces électrons de manière la plus efficace par joule laser. Par exemple, elle est différente si l’on vise la production d’électrons à 5 MeV ou à 100 MeV.
Par exemple en radiographie industrielle, l’accélérateur selon l’invention permet de contrôler aisément le faisceau d’électrons générée en maintenant une énergie moyenne d’environ 4 MeV.
Contrairement à l’art antérieur, on n’utilise pas une impulsion unique de haute énergie, mais un train d’impulsions avec un délai entre deux impulsions de l’ordre de la centaine de femtosecondes par exemple. Chaque impulsion accélère des électrons dans son sillage de sorte qu’il se crée un train de paquets d’électrons.
Chaque impulsion laser crée une onde plasma constitué de plusieurs cavité ionique.
La illustre une telle onde plasma dans laquelle on distingue l’impulsion laser 10, une première cavité ionique 11 et une seconde cavité ionique 12 dans le sillage de l’impulsion laser 10. Les électrons accélérés sont à l’intérieur proche de l’axe optique. Initialement ils sont injectés à l’arrière, puis avancent vers l’avant au cours de l’accélération. Dans certains cas, des électrons sont injectés continuellement ; ils peuvent donc occuper à terme tout l’axe optique à l’intérieur de la cavité ionique. Pour chaque cavité ionique, une force pondéromotrice expulse les électrons de l'axe optique.
Sur la , on distingue la cavité ionique 11 formée dans le sillage de l’impulsion 10. Il s’agit par exemple d’un ellipsoïde allongé dans la direction de la propagation. Une partie de la cavité ionique est en recouvrement avec une partie arrière de l’impulsion. Dans l’exemple de la , la grande partie de la cavité ionique s’étend à l’extérieur de l’impulsion. Le sens arrière ou avant est défini en fonction du sens de propagation de l’impulsion laser.
Cette cavité ionique est le lieu de compétition de deux champs électriques. Un champ électrique décélérateur est présent à l’avant de la cavité ionique dans la zone en recouvrement avec une partie de l’impulsion. Un champ électrique accélérateur est présent à l’arrière, dans la cavité et accélère les électrons.
Les électrons qui forment la cavité ionique ne sont pas les mêmes au cours du temps ; à chaque instant ce sont de nouveaux électrons qui forment la cavité ionique. Ils ne suivent pas l’impulsion laser.
Dans certains cas, des électrons qui forment la cavité gagnent assez d’énergie pour être injectés à l’arrière, comme illustré sur la . Ce n’est pas toujours le cas, notamment lorsqu’on utilise de l’Ar ou N2, ou un mélange contenant un de ces gaz. Dans ce cas, ce sont des électrons de cœur de ces atomes qui sont arrachés aux ions et injectés directement dans la cavité ionique.
Typiquement, la cavité ionique 11 de la présente un diamètre le long de l’axe de propagation d’environ 10µm.
Ainsi la présente invention, il est proposé un train d’impulsions, avec un délai de l’ordre de la centaine de femtosecondes entre deux impulsions successives. Chaque impulsion accélère des électrons dans son sillage, si bien que l’on produit un train de paquets d’électrons.
Bien sûr, l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l’invention

Claims (15)

  1. Procédé pour produire des faisceaux d’électrons énergétiques au moyen d’un accélérateur laser-plasma comprenant un laser et un dispositif de production d’un nuage de gaz dans une enceinte sous vide, le procédé comprenant une étape de génération d’au moins une impulsion laser qui est focalisée dans le nuage de gaz de façon à créer un plasma ; le procédé est caractérisé en ce que l’étape de génération d’au moins une impulsion laser comprend au moins la génération d’un train d’impulsions laser avec un délai entre deux impulsions laser successives compris entre trois fois et trente fois la période plasma TP, telle que  :
    Tp= λp/c
    λp étant la longueur d’onde plasma définie par: λp= (2π/c) * (n e² / (m ε0 ))- 1/2 , avec c la célérité de la lumière, n la densité électronique du plasma en cm-3, e=1,6e-19 C la charge électronique, m=9,1e-31 kg la masse électronique, et ε0 = 8,85 × 10-12 m-3 kg-1 s4 A2 la permittivité du vide.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la durée de chaque impulsion est comprise entre 5 femtosecondes et 100 femtosecondes.
  3. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le nombre total d’impulsions dans le train d’impulsions laser est compris entre 2 et 200, ou entre 2 et 100 ou idéalement entre 2 et 40.
  4. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’énergie laser totale est comprise entre 100 mJ et 20J.
  5. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’énergie par impulsion laser est comprise entre 25 mJ et 2 J.
  6. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le laser émet un faisceau laser ayant une longueur d’onde de 800nm.
  7. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que toutes les impulsions laser présentent une même longueur d’onde ou des longueurs d’ondes différentes comprenant une longueur d’onde et des harmoniques.
  8. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le faisceau laser est focalisé de façon à ce que chaque impulsion du train d’impulsions laser atteigne dans le nuage de gaz un éclairement supérieur à 1018 Wcm-2.
  9. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le gaz comprend l’un ou un mélange des gaz suivants : He, H2, Ar, N2.
  10. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la densité électronique du plasma n est comprise entre 1018 cm-3 et 1021 cm-3, préférentiellement entre 5×1018 cm-3 et 5×1019 cm-3.
  11. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le nuage de gaz est produit soit de façon continue, soit de façon impulsionnelle à la fréquence des impulsions laser.
  12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que le nuage de gaz est émis de façon impulsionnelle à la fréquence des impulsions laser avec une durée d’ouverture supérieure à 1ms.
  13. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la longueur du plasma est comprise entre 0,02mm et 100mm.
  14. Accélérateur laser-plasma pour produire des faisceaux d’électrons énergétiques en mettant e œuvre un procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes ; l’accélérateur laser-plasma comprenant :
    - un laser pour émettre un faisceau laser,
    - un compresseur laser,
    - un diviseur du faisceau laser en train d’impulsions,
    - un dispositif d’émission de nuage de gaz dans une enceinte sous vide,
    - une optique de focalisation.
  15. Accélérateur laser-plasma selon la revendication 14, caractérisé en ce que ledit laser est un laser intégrant la technique d’amplification à dérive de fréquence (CPA pour « Chirped Pulse Amplification »).
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5637966A (en) 1995-02-06 1997-06-10 The Regents Of The University Of Michigan Method for generating a plasma wave to accelerate electrons

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5637966A (en) 1995-02-06 1997-06-10 The Regents Of The University Of Michigan Method for generating a plasma wave to accelerate electrons

Non-Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CRAIG W. SIDERS ET AL.: "Efficient high-energy pulse-train génération using a 2n-pulse Michelson interferometer", APPLIED OPTICS, vol. 22, 1998, pages 5302 - 5305, XP000781289, DOI: 10.1364/AO.37.005302
HOOKER S M ET AL: "Multi-pulse laser wakefield acceleration: a new route to efficient, high-repetition-rate plasma accelerators and high flux radiation sources", JOURNAL OF PHYSICS B, ATOMIC MOLECULAR AND OPTICAL PHYSICS, INSTITUTE OF PHYSICS PUBLISHING, BRISTOL, GB, vol. 47, no. 23, 24 November 2014 (2014-11-24), pages 234003, XP020274144, ISSN: 0953-4075, [retrieved on 20141124], DOI: 10.1088/0953-4075/47/23/234003 *
JAMES COWLEY ET AL: "Excitation and Control of Plasma Wakefields by Multiple Laser Pulses", ARXIV.ORG, CORNELL UNIVERSITY LIBRARY, 201 OLIN LIBRARY CORNELL UNIVERSITY ITHACA, NY 14853, 14 August 2017 (2017-08-14), XP080952826, DOI: 10.1103/PHYSREVLETT.119.044802 *
KIM ET AL: "Double pulse laser wakefield accelerator", PHYSICS LETTERS A, NORTH-HOLLAND PUBLISHING CO., AMSTERDAM, NL, vol. 370, no. 3-4, 11 October 2007 (2007-10-11), pages 310 - 315, XP022293914, ISSN: 0375-9601, DOI: 10.1016/J.PHYSLETA.2007.05.060 *
MARQUÈS J. R. ET AL: "Temporal and Spatial Measurements of the Electron Density Perturbation Produced in the Wake of an Ultrashort Laser Pulse", vol. 76, no. 19, 30 October 1995 (1995-10-30), US, pages 3566 - 3569, XP055862880, ISSN: 0031-9007, Retrieved from the Internet <URL:https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.76.3566> DOI: 10.1103/PhysRevLett.76.3566 *
MENG WEN ET AL.: "Génération of high charged energetic electrons by using multiparallel laser pulses", PHYSICS OF PLASMAS, vol. 17, 2010, pages 103113
PAOLO TOMASSINI ET AL.: "The resonant multi-pulse ionization injection", PHYSICS OF PLASMAS, vol. 24, 2017, pages 103120
SADLER JAMES D. ET AL: "Overcoming the dephasing limit in multiple-pulse laser wakefield acceleration", vol. 23, no. 2, 1 February 2020 (2020-02-01), XP055862827, Retrieved from the Internet <URL:https://journals.aps.org/prab/pdf/10.1103/PhysRevAccelBeams.23.021303> DOI: 10.1103/PhysRevAccelBeams.23.021303 *

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