Dissertations / Theses: 'Accélérateurs laser-plasma'

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Oubrerie, Kosta. "Amélioration de l'efficacité des accélérateurs laser-plasma." Electronic Thesis or Diss., Institut polytechnique de Paris, 2022. http://www.theses.fr/2022IPPAE002.

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Abstract:

Pour générer des faisceaux d'électrons à hautes énergies, les accélérateurs conventionnels utilisent des ondes radiofréquences pour accélérer des particules chargées à des vitesses relativistes. Cependant, le champ électrique accélérateur produit est limité à quelques dizaines de mégavolts par mètre, dû notamment à un phénomène de claquage. Il faut donc des installations de très grande taille pour atteindre des énergies suffisamment élevées. Ainsi, l'accélérateur linéaire de Stanford (SLAC), qui est l'accélérateur linéaire le plus long au monde, accélère des électrons jusqu'à 50GeV sur 3.2km. Les accélérateurs laser-plasma peuvent produire des champs électriques dépassant 100 GV/m, soit environ trois ordres de grandeur plus grands que ceux obtenus par les accélérateurs à cavités radiofréquences. Ils pourraient ainsi permettre une diminution drastique de la taille des accélérateurs pour des applications scientifiques, médicales et industrielles. Cependant, plusieurs verrous devront être levés avant que ces applications puissent voir le jour. Il sera notamment nécessaire de démontrer la production efficace de faisceaux d'électrons de haute qualité, à des énergies de plusieurs GeV et à un taux de répétition élevé.Le projet doctoral s’attaque à cette problématique en explorant de nouvelles méthodes pour augmenter l'énergie des faisceaux d'électrons grâce à des techniques qui sont compatibles avec des puissances laser et des taux de répétition élevés et qui peuvent être alliées avec des méthodes d'injection contrôlée. En effet, des faisceaux d'électrons à haute énergie ou avec une injection contrôlée ont été obtenus séparément durant les quinze dernières années, mais jamais de manière combinée. Cette thèse présente les travaux réalisés sur les techniques de guidage ainsi que sur celles d'injection des électrons qui ont permis d'obtenir expérimentalement des faisceaux de bonne qualité à hautes énergies. Ce travail s'est fait notamment au travers de l'optimisation d'une optique nouvellement conçue au Laboratoire d'Optique Appliquée, l'axiparabole, ainsi que sur le développement de jets de gaz spécifiques à l'accélération laser-plasma To generate high energy electron beams, conventional accelerators use radio frequency waves to accelerate charged particles to relativistic speeds. However, the accelerating electric field produced is limited to a few tens of megavolts per metre, mainly due to a breakdown phenomenon. Very large facilities are therefore needed to reach sufficiently high energies. For example, the Stanford Linear Accelerator (SLAC), which is the world's longest linear accelerator, accelerates electrons up to 50 GeV over a distance of 3.2 km. Laser-Plasma Accelerators can produce electric fields exceeding 100 GV/m, that are about three orders of magnitude larger than those obtained by radiofrequency-cavity accelerators. They could thus allow for a drastic decrease of the size of accelerators for scientific, medical and industrial applications. Yet, several bottlenecks have to be solved before these applications can be really implemented. It is notably necessary to demonstrate the efficient production of high-quality, multi-GeV electron beams at a high-repetition rate.The doctoral project tackles this problem by exploring new methods for increasing the energy of the electron beams thanks to techniques that are compatibles with arbitrarily high laser powers and repetition rates and that can be combined with controlled injection methods. Indeed, high energy or controlled injection electron beams have been obtained separately during the last fifteen years, but never combined. This thesis presents the work carried out on the guiding techniques as well as on the electron injection techniques which allowed to obtain experimentally good quality beams at high energies. This work was done in particular through the optimisation of a new optic designed at the Laboratoire d'Optique Appliquée, the axiparabola, as well as the development of gas jets specific to laser-plasma acceleration

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Corde, Sébastien. "Des accélérateurs laser-plasma aux sources de rayonnement X femtoseconde : étude, développement et applications." Palaiseau, Ecole polytechnique, 2012. http://pastel.archives-ouvertes.fr/docs/00/68/02/57/PDF/These_SCorde_version_electronique.pdf.

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Abstract:

Lors de l'interaction relativiste entre une impulsion laser brève et intense et un plasma sous-dense, des électrons peuvent être injectés et accélérés jusqu'à plusieurs centaines de MeV dans une structure accélératrice se formant dans le sillage de l'impulsion laser : c'est l'accélérateur laser-plasma. Une des applications majeures de ces accélérateurs réside dans le développement de sources compactes de faisceaux de rayonnement X femtoseconde. Au cours de cette thèse, deux sources de rayonnement X ont été étudiées et développées. Le rayonnement bétatron, intrinsèque à l'accélérateur laser-plasma, provient des oscillations transverses des électrons au cours de leur accélération. Sa caractérisation par comptage de photons a montré que le faisceau X contenait un total de 10^9 photons, avec des énergies pouvant être supérieures à 10 keV. Nous avons également développé une source Compton tout optique produisant des photons de quelques centaines de keV, basée sur la collision entre un faisceau de photons et un faisceau d'électrons. Le potentiel de ces sources de rayonnement a été mis en évidence en réalisant l'imagerie par contraste de phase mono-coup d'un échantillon biologique. Nous avons ensuite montré que l'émission X bétatron est un outil expérimental très puissant pour étudier la physique sous-jacente à l'accélération laser-plasma. On peut tout d'abord réaliser la cartographie de la région d'émission, ce qui donne des informations inédites, permettant par exemple de localiser l'endroit où sont injectés les électrons. Les propriétés angulaires et spectrales du rayonnement X permettent également d'avoir des informations sur la dynamique transverse des électrons au cours de leur accélération During the relativistic interaction between a short and intense laser pulse and an underdense plasma, electrons can be injected and accelerated up to hundreds of MeV in an accelerating structure formed in the wake of the pulse: this is the so-called laser-plasma accelerator. One of the major perspectives for laser-plasma accelerators resides in the realization of compact sources of femtosecond x-ray beams. In this thesis, two x-ray sources was studied and developed. The betatron radiation, intrinsic to laser-plasma accelerators, comes from the transverse oscillations of electrons during their acceleration. Its characterization by photon counting revealed an x-ray beam containing 10^9 photons, with energies extending above 10 keV. We also developed an all-optical Compton source producing photons with energies up to hundreds of keV, based on the collision between a photon beam and an electron beam. The potential of these x-ray sources was highlighted by the realization of single shot phase contrast imaging of a biological sample. Then, we showed that the betatron x-ray radiation can be a powerful tool to study the physics of laser-plasma acceleration. We demonstrated the possibility to map the x-ray emission region, which gives a unique insight into the interaction, permitting us for example to locate the region where electrons are injected. The x-ray angular and spectral properties allow us to gain information on the transverse dynamics of electrons during their acceleration

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Mollica, Florian. "Interaction laser-plasma ultra-intense à densité proche-critique pour l'accélération d'ions." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2016. http://www.theses.fr/2016SACLX058/document.

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Abstract:

L'interaction d'un laser ultra-intense et ultra-court avec la matière donne naissance à une grande variété de processus issus du couplage des ondes électromagnétiques associées au laser avec les modes du plasma. Ce couplage hautement non-linéaire excite des phénomènes plasmas collectifs capables de produire des champs intenses pouvant atteindre le TV/m. Ces champs ouvrent la possibilité de réaliser des accélérateurs de particules compacts, aussi bien d'électrons que d'ions. Des sources laser-plasma d'ions de plusieurs dizaines de MeV ont été démontré au début des années 2000 et de nombreux mécanismes ont été suggérés depuis afin d'en améliorer les propriétés. Historiquement, les sources d'ions par laser ont été obtenues à partir de cibles solides dîtes sur-denses. L’innovation sur les cibles a été un moteur majeur de l’amélioration de ces sources. Dans la continuité de cette dynamique, l’utilisation de cibles gazeuses a été proposé afin d’alléger les contraintes de contraste laser et de taux de répétition. De récentes démonstrations expérimentales sont venus renforcer l’intérêt pour ces cibles, dîtes sous-denses ou proche critiques, dont la valeur est propice à la propagation, à l’absorption du laser et à la création de structures accélératrices que sont les chocs plasmas et les vortex magnétiques. Les travaux présentés dans cette thèse constituent une exploration expérimentale des paramètres plasmas nécessaires à l’accélération d’ions dans des cibles gazeuses de densité proche-critique. Pour la première fois ces régimes sont explorés avec un laser ultra-intense femtoseconde de 150TW. Une partie des travaux a été consacrée à la réalisation d’une cible innovante, adaptée aux contraintes de densité et de gradients plasma requises par ces régimes. Suivent, les travaux expérimentaux décrivant la propagation du laser et l’accélération d’électrons dans des cibles proche-critiques. Enfin une dernière partie décrit la production d’un faisceau d’atome issue d’une source d’ion laser Interaction of ultra-intense, ultra-short laser with matter gives rise to a wealth of phenomena, due to the coupling between the electromagnetic field and the plasma. The non-linear coupling excites collective plasma processes able to sustain intense electric fields up to 1TV/m. This property spurred early interest in laser accelerator as compact, next-generation source of accelerated electrons and ions. Laser-driven ion source of several MeV was demonstrated in early 2000 an various mechanisms had been suggest to improve the their properties. These first ion sources have been obtained on solid targets, called “overdense”. Target innovation has driven the improvement of these sources. In the continuity of this dynamic, new gaseous targets had been proposed in order to relax the constraints that solid targets impose on laser contrast and repetition rate. Recent experimental demonstrations of monoenergetic ion acceleration in gas renew the interest in such targets, called under-dense or near-critical because of their intermediate densities. At near-critical density the laser can propagate, but undergoes significant absorbtion, giving rise to the accelerating structures of plasma shocks and magnetic vortex.The work presented in this thesis is an experimental exploration of the plasma conditions required to drive ion acceleration in gaseous near-critical target. For the first time, these regimes are explored with an ultra-intense, femtosecond laser of 150TW. A part of this work has been dedicated to the design of an innovative gas target, suited for plasma density and gradient constraints set by these regimes. Then the experimental works describe laser propagation and electron acceleration in near-critical targets. Finally the last part report the efficient production of an atomic beam from a laser-driven ion source

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Fritzler, Sven. "Particle sources with high-intensity lasers : a tool for plasma diagnostics and an innovative source for applications." Palaiseau, Ecole polytechnique, 2003. http://www.theses.fr/2003EPXX0056.

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Flacco, Alessandro. "Experimental study of proton acceleration with ultra-high intensity, high contrast laser beam." École polytechnique, 2010. http://www.theses.fr/2008EPXX0071.

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Abstract:

La production de faisceaux énergétiques d'ions/protons avec des impulsions laser à intensités relativistes (I>10^{18}W/cm^2) a reçu, au cours des dernières années, un intérêt croissant parmi les scientifiques travaillant dans les domaines de l'optique, de la physique des plasmas et des accélérateurs. Une fraction des électrons est chauffée à haute température lors de l'interaction entre une impulsion laser femtoseconde et un plasma surdense. Les ions et les protons sont extraits et accélérés par la séparation de charge qui est produite pendant l'expansion du plasma. Les résultats présentés dans ce manuscrit décrivent la réalisation d'expériences d'accélération d'ions avec un système laser à haute puissance et à haut contraste (XPW). Deux expériences préparatoires sont réalisées, afin d'étudier l'interaction entre le piédestal d'une impulsion laser et une cible. L'expansion d'un plasma créé par laser à intensité moyenne est mesurée par interférométrie; l'évolution de la longueur de son gradient de densité est déduite par les cartes de densité électronique, mesurées à différents instants. La variation de la réflectivité absolue d'une cible mince d'aluminium est mise en corrélation avec la température électronique afin de contrôler le débouché du choc produit par le laser. La corrélation entre les deux expériences est finalement utilisée pour définir le conditions optimales pour l'accélération des protons. Des expériences d'accélération de protons avec un laser à haut contraste, la construction et la validation d'un spectromètre (Galette a Micro-canaux et Parabole Thomson), ainsi que des autres détails sur le montage sont présentés. Les résultats ainsi obtenus montrent que l'amélioration du contraste permet d'utiliser des cibles plus minces et de produire des conditions d'interaction plus stables et contrôlables. Des faisceaux des protons ayant énergie cinétique supérieure à 4MeV sont produits, avec une stabilité tir à tir meilleure de 4% rms. L'accélération des protons avec deux impulsions laser confirme que l'absorption d'énergie laser est augmentée dans le cas des cibles pre-chauffées par une impulsion laser avec les bons paramètres The production of energetic proton/ion beams with laser pulses at relativistic intensities (I>10^{18}W/cm^2) has received, in the past few years, increasing interest from the scientific community in plasma, optics and accelerator physics. A fraction of electrons is heated to high temperature during the ultrafast interaction between a femtosecond laser pulse and an overdense plasma. Ions and protons are extracted and accelerated by the charge separation set up during the expansion of the plasma. The results presented in this manuscript report on the realization of ion acceleration experiments using a high contrast (XPW) multi-terawatt laser system. Two preparatory experiments are set up, aiming to study the pedestal of a laser pulse interacting with the target. The expansion of a plasma created by a laser at moderate intensity is measured by interferometry; the evolution of the density gradient length is deduced from the electron density maps at different moments. The variation of the absolute reflectivity of a thin aluminium foil is correlated to the electron temperature and is used to monitor the arrival time of the laser produced shock. The crossing between the two experiments is finally used to define the optimum condition for proton acceleration. Proton acceleration experiments with high contrast laser are reported, including the construction and the validation of a real-time, single shot ion spectrometer (Micro-channel Plate and Thomson Parabola), and other details of the realised setup. The obtained results show that the increased contrast enables the use of thinner targets and the production of more stable and controllable interaction conditions. Proton beams with kinetic energy higher than 4 MeV are produced, with a shot-to-shot stability better than 4% rms. Proton acceleration experiment with two laser beams confirms that the laser energy absorption is enhanced when the target is pre-heated by a laser pulse with proper parameters

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André, Thomas. "Transport et manipulation d’électrons produits par interaction laser plasma sur la ligne COXINEL." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2018. http://www.theses.fr/2018SACLS602/document.

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Abstract:

Les récents progrès en termes de techniques d’accélération par interaction Laser Plasma (LPA) permettent aujourd’hui de générer de forts gradients accélérateurs (GV.m⁻¹); cependant, les faisceaux d’électrons ainsi produits présentent encore une grande dispersion énergie (%) et une divergence élevée (mrad). Le projet COXINEL (ERC Advanced Grant 350014, PI. M.E. Couprie), vise à qualifier, en remplacement d’un accélérateur conventionnel, un accélérateur Laser Plasma, dans le but d’une application de Laser à Électrons Libres. Pour atteindre les propriétés requises, le faisceau d’électrons doit être manipulé à l’aide d’une ligne de transport. Cette ligne est constituée d’un premier triplet de quadrupôles à aimants permanents de gradient variable qui focalise le faisceau et permet la maîtrise de la divergence initiale. Une chicane électromagnétique réduit ensuite la dispersion en énergie par tranche en allongeant longitudinalement le faisceau. Une gamme d’énergie restreinte peut être ensuite sélectionnée via l’insertion d’une fente dans la chicane. Enfin, un quadruplet de quadrupôles électromagnétiques fournit la focalisation finale dans un onduleur. Le travail de thèse porte sur l’étude du transport des faisceaux d’électrons produit par LPA le long de cette ligne. Différents régimes de production d’électrons ont été utilisés : injection par ionisation, cellule de gaz. La maîtrise du transport a été obtenue à l’aide d’une nouvelle méthode d’alignement et de compensation de dérive de pointé initial des électrons en réglant de manière indépendante la position et la dispersion du faisceau à différents endroits de la ligne. Un réglage fin de l’énergie transportée a été effectué en ajustant le gradient des quadrupôles. Les faisceaux produits ont été transportés le long de la ligne et caractérisés en termes de distribution transverse, d’émittance et d’énergie. Les résultats expérimentaux ont ensuite été comparés avec succès aux simulations numériques. Ce travail ouvre la voie à l’observation de rayonnement de l’onduleur, étape préliminaire à une amplification Laser à Électrons Libres Recent advances in Laser Plasma Acceleration techniques (LPA) are now able to generate strong accelerating gradients (GV.m⁻¹); however the produced electron beam thus still presents a large energy spread (%) and a large divergence (mrad). The COXINEL project (ERC Advanced Grant 350014, PI. M.E. Couprie), aims at qualifying, in replacement of a conventional accelerator, a Laser Plasma Accelerator, for a Free Electrons Laser application. To achieve the required properties, the electron beam must be manipulated using a transport line. This line consists in a first triplet of permanent magnets quadrupoles of variable gradient which focuses the beam and allows for the control of the initial divergence. An electromagnetic chicane then reduces the slice energy spread by lengthening the beam longitudinally. A restricted energy range can then be selected by inserting a slit inside the chicane. Finally, a quadruple of electromagnetic quadrupoles provides the final focus in an undulator. The thesis deals on the study of electron beam transport produced by LPA along this line. Different electron production regimes have been used: ionization injection, gas cell. The transport was controlled using a new alignment and pointing compensation method for the initial electron beam by adjusting independently the beam position and dispersion at different location on the line. A fine adjustment of the transported energy was carried out by adjusting the quadrupole gradient. The produced beam was transported along the line and was characterized in terms of transverse distribution, emittance and energy. Experimental results were then successfully compared with numerical simulations. This work paves the way for the observation of undulator radiation, a preliminary step before Free Electron Laser amplification

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Maitrallain, Antoine. "Accélération laser-plasma : mise en forme de faisceaux d’électrons pour les applications." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2017. http://www.theses.fr/2017SACLS314/document.

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Abstract:

L'accélération laser plasma (ALP) est le produit de l'interaction non linéaire entre un faisceau laser intense (≈10¹⁸ W/cm²) et une cible gazeuse. Sous certaines conditions, l’onde plasma générée peut piéger et accélérer des électrons jusqu’à des énergies très importantes grâce à des champs accélérateurs élevés (≈ 50 GV/m). Ce processus très prometteur fait l'objet de nombreux travaux au sein de la communauté, qui, après avoir identifié les mécanismes de base, cherche aujourd’hui à améliorer les propriétés de la source (énergie, divergence, reproductibilité...).Les applications de ces faisceaux d'électrons issus de sources ultra-compactes sont variées. Parmi celles-ci, la physique des hautes énergies pour laquelle a été conçu le schéma d'accélération multi-étages. Il s’agit d’un concept basé sur la succession d’étages accélérateurs pour répondre à la problématique de l’augmentation de la longueur d’accélération en vue d’augmenter l’énergie des électrons. Dans sa version de base, un premier étage (injecteur) fournit un faisceau d'électrons d'énergie modérée doté d’une charge très importante. Ce faisceau est alors accéléré vers de plus hautes énergies dans un second étage appelé accélérateur. Cette thèse s'inscrit dans une série de travaux préliminaires aux expériences d'accélération laser-plasma double étages prévues sur la plateforme expérimentale CILEX autour du laser APOLLON 10 PW.Dans ce cadre, une nouvelle cible a été conçue et caractérisée avec le laser UHI100. Les propriétés du faisceau d'électrons ont ensuite été modifiées par mise en forme optique du faisceau laser produisant l'onde de plasma, ainsi que par mise en forme magnétique.Ce dernier dispositif nous a permis de pouvoir utiliser la source pour une application visant à mettre au point un système de dosimétrie adapté au fort débit de dose associé aux électrons issus de l'ALP Laser plasma acceleration (LPA) comes from the nonlinear interaction between an intense laser beam (≈10¹⁸ W/cm²) and a gas target. The plasma wave which is generated can, trap and accelerate electrons to very high energies due to large accelerating fields (≈ 50 GV/m). Numerous studies have been done on this promising process among our scientific community aiming at understanding the basic mechanisms involved. As a second step, we now try tries to improve the properties of the source (energy, divergence, reproducibility…).Such ultra-compact electronic sources can be used for various applications. Among them, high energy physics for which a specific scheme was designed, based on the multi-stage acceleration. The scheme relies on the addition of successive accelerating modules to increase the effective accelerating length and therefore the final electron energy. In its basic version, a first stage (injector) delivers an electron beam at moderate energy including a high charge. This beam is then further accelerated to high energy through a second stage (accelerator). This thesis is part of preliminary studies performed to prepare the future 2-stages laser plasma accelerator that will be developed on platform CILEX with APOLLON 10 PW laser.In this context, a new target has been designed and characterized with the UHI100 laser. Then the electron beam properties have been adjusted by optical shaping of the laser generating the plasma wave, and also by magnetic shaping.The electron beam, magnetically shaped, has been used for a specific application devoted to the set-up of a new dosimetric diagnostic, dedicated to the measurement of high dose rate delivered by these electrons from LPA

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Buffechoux, Sébastien. "Augmentation de l'énergie des faisceaux de proton accélérés par laser ultra-intense et étude des caractéristiques des faisceaux accélérés par laser ultra-court." Phd thesis, Université Paris Sud - Paris XI, 2011. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00600647.

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Abstract:

De rapides avancées technologiques ont autorisé depuis le début des années 1980 un développement important des lasers de puissance et ont ouvert la voie aux régimes d'interaction laser-matière relativiste. L'accès aux intensités lumineuses supérieures à 1.1018 W.cm-2 a ainsi donné la possibilité à la communauté scientifique d'explorer une nouvelle physique riche d'applications. Bien que le principal moteur ait historiquement été constitué par les recherche sur la fusion par confinement inertiel, l'astrophysique de laboratoire, la génération de rayonnement (harmoniques, bétatron, X) ou la génération de particules énergétiques (électrons, ions) élargissent de plus en plus ce domaine d'étude.En effet, les très bonnes qualités des sources lumineuses et des sources d'ions créées par laser laissent fortement envisager qu'elles viendront un jour remplacer les sources conventionnelles comme les synchrotrons ou les accélérateurs qui sont des machines très coûteuses.Dans le cadre de cette thèse, une attention toute particulière a été portée à l'accélération d'ions qui a déjà montré son fort potentiel en termes de qualité des faisceaux accélérés. Malheureusement, ses applications sont encore limitées (radiographie, chauffage isochorique) à cause de paramètres limitants comme la divergence du faisceau, le spectre large ou l'énergie maximale atteinte par ces faisceaux. Au cours de ce travail de thèse, l'accent a plus particulièrement été mis sur l'augmentation de l'énergie maximale des faisceaux de protons dans le cadre des régimes à ultra haute intensité (supérieur à 1.1019W.cm-2). Cette recherche s'est orientée suivant deux axes principaux (impulsions longue et courtes), qui ont donné lieu à de nombreux échanges et au renforcement de la collaboration entre les laboratoires du LULI à l'École Polytechnique (France) et l'INRS-EMT (Canada).Dans le cadre des recherches menées au sein du LULI, des techniques innovantes ont pu être explorées afin de poursuivre la compréhension des mécanismes et d'améliorer les qualités de l'accélération d'ions à partir d'impulsion "longues" (entre 300 fs et 1,5 ps). Nous avons montré que l'utilisation de cibles ayant des dimensions transverses réduites permettait le confinement géométrique des électrons dans la zone d'impact du laser et augmentait ainsi significativement le taux de conversion de l'énergie laser vers les protons et l'énergie maximale atteinte par le faisceau. Par ailleurs, l'utilisation originale d'une optique plasma refocalisante a démontré son efficacité quant à réduire fortement la surface de focalisation du laser, conduisant à augmenter son intensité et donc l'énergie de coupure des faisceaux d'ions accélérés. Enfin, l'utilisation de deux impulsions laser a mis en évidence qu'une interaction entre les électrons accélérés par chaque impulsion était possible et qu'elle permet de modifier l'énergie et la typologie des faisceaux de protons.Les expériences réalisées au sein de l'INRS-EMT visaient quant à elle à améliorer la compréhension des régimes d'accélération femtoseconde, où peu d'études à ultrahaute intensité existaient au début de cette thèse, et à valider ou non la pertinence de ces régimes. Les nombreuses expériences menées ont clairement établi l'importance du contraste laser et la nécessité que ce derniers soit important pour que l'accélération de protons soit efficace dans ces régimes ultracourts. L'analyse systématique des faisceaux accélérés en face avant et en face arrière d'une cible mince montre que le processus d'accélération manifeste une certaine symétrie et prouve, qu'à énergie laser constante,l'accélération d'ions par laser n'est pas la plus efficace pour la plus courte durée d'impulsion.

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Drobniak, Pierre. "Development of a 150 MeV laser-plasma injector prototype." Electronic Thesis or Diss., université Paris-Saclay, 2023. http://www.theses.fr/2023UPASP184.

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Abstract:

La thèse porte sur le développement d'un injecteur d'électrons à 150 MeV par technique laser-plasma dans le cadre du projet PALLAS. Partant de considérations inspirées de la littérature, deux séries de prototypes d'injecteurs basés sur le principe de l'injection par ionisation sont proposées. Les caractéristiques fluides des injecteurs sont modélisées par simulations OpenFOAM et validées expérimentalement à l'IJCLab. L'utilisation d'un supercalculateur associé à des simulations rapides laser-plasma permet la recherche de points de fonctionnement idéaux pour la génération de faisceaux d'électrons. Une campagne expérimentale de production d'électrons au Laboratoire d'Optique Appliquée valide le comportement effectif de la deuxième série d'injecteurs en conditions réelles This thesis focuses on the development of a 150 MeV electron injector using a laser-plasma technique in the frame of the PALLAS project. Starting from considerations inspired by the literature, two series of prototype injectors based on the principle of ionisation injection are proposed. The fluid characteristics of the injectors are modelled using OpenFOAM simulations and validated experimentally at IJCLab. The use of a supercomputer combined with fast laser-plasma simulations is used to find ideal operating points for electron beam generation. An experimental electron production campaign at Laboratoire d'Optique Appliquée validates the operational behaviour of the second series of injectors under real conditions

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Martelli, Lorenzo. "Average Current Enhancement of Laser-Plasma Accelerators for Industrial Applications." Electronic Thesis or Diss., Institut polytechnique de Paris, 2024. http://www.theses.fr/2024IPPAE012.

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Abstract:

Cette thèse de doctorat s'inscrit dans le cadre d'une collaboration CIFRE entre Thales-MIS et le Laboratoire d'Optique Appliquée (LOA). L'objectif principal est d'améliorer le courant moyen des accélérateurs laser-plasma à faible énergie, notamment dans la gamme de quelques MeV. Cette avancée revêt un intérêt particulier pour les applications à faible énergie telles que la tomographie industrielle par rayons X, ne nécessitant pas de faisceaux d'électrons monoénergétiques.Des expériences ont été menées au moyen du système laser de 60 TW installé dans la Salle Jaune du LOA, capable de générer des impulsions de 30 fs. À travers une exploration minutieuse des densités de plasma, des énergies laser, des cibles gazeuses et des degrés de focalisation, nous avons identifié les conditions propices à la production de faisceaux d'électrons hautement divergents (i.e., >100 mrad) de quelques MeV, avec des charges variant de 5 à 30 nC. Nous avons également atteint une efficacité maximale de conversion d'énergie laser-électron d'environ 14 %, parmi les plus élevées jamais mesurées. En envisageant les futurs systèmes laser capables d'atteindre des puissances moyennes d'environ 100 W, ces configurations pourraient ouvrir la voie à la réalisation de faisceaux d'électrons accélérés par laser-plasma, avec des courants moyens dépassant 1 microampère, surpassant ainsi l'état de l'art actuel des accélérateurs laser-plasma. Pour mener à bien ces expériences novatrices, nous avons conçu une buse supersonique en verre et des dipôles magnétiques permanents permettant de dévier les électrons vers des écrans scintillants pour effectuer la spectrométrie des faisceaux produits. Parallèlement aux expériences, cette thèse a également approfondi les simulations Particle-In-Cell (PIC) pour étudier les mécanismes d'accélération. Grâce à un outil numérique spécifiquement développé pour traiter les résultats des simulations PIC, nous avons démontré que la force pondéromotrice du laser joue un rôle prépondérant dans l'accélération des électrons. Notamment, la majorité des particules ne sont pas injectées dans les ondes du plasma, mais glissent plutôt sur l'impulsion laser, acquérant ainsi une faible énergie de l'ordre de quelques MeV This doctoral thesis is part of a CIFRE collaboration between Thales-MIS and the Laboratoire d'Optique Appliquée (LOA). The main objective is to enhance the average current of low-energy laser-plasma accelerators, particularly in the range of a few MeV. This advancement is particularly interesting for low-energy applications such as industrial X-ray tomography, which does not require monoenergetic electron beams.Experiments were conducted using the 60,TW laser system installed in the Salle Jaune at LOA, capable of generating 30 fs pulses. Through meticulous exploration of plasma densities, laser energies, gas targets, and focusing degrees, we identified conditions conducive to producing highly divergent electron beams (i.e., >100 mrad) at energies of a few MeV, with charges ranging from 5 to 30 nC. We also achieved a maximum laser-to-electron energy conversion efficiency of approximately 14 %, one of the highest ever measured. Looking ahead to future laser systems capable of achieving average powers of around 100 W, these configurations could pave the way for generating laser-plasma accelerated electron beams with average currents exceeding 1 microampere, surpassing the current state of the art in laser-plasma accelerators. To facilitate these innovative experiments, we designed a supersonic glass nozzle and permanent magnetic dipoles to deflect electrons towards scintillating screens for beam spectroscopy. Concurrently with the experiments, this thesis also delved into Particle-In-Cell (PIC) simulations to study acceleration mechanisms. Using a dedicated numerical tool for processing PIC simulation results, we demonstrated that the ponderomotive force of the laser plays a predominant role in electron acceleration. Notably, the majority of particles are not injected into plasma waves but rather slide along the laser pulse, thereby gaining low energies on the order of a few MeV

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Audet, Thomas. "Développement d'un injecteur pour l'accélération laser plasma multi-étages." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2016. http://www.theses.fr/2016SACLS424/document.

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Abstract:

L’accélération laser plasma (ALP) est un mécanisme d’accélération de particules reposant sur l’interaction d’impulsions laser ultra-intenses, de l’ordre de quelques 10^{18} W/cm², avec un plasma. L’onde plasma générée dans le sillage de l’impulsion laser est associée à des champs électriques de grande amplitude (1 − 100 GV/m). Ces champs électriques de trois ordres de grandeurs supérieurs aux champs maximums supportés dans les cavités radiofréquences des accélérateurs conventionnels constituent le principal point fort de l’ALP, permettant d’envisager des accélérateurs de particules plus compacts. Un important travail pour améliorer les propriétés des paquets d’électrons générés par ALP, leur stabilité et la cadence de tir est cependant nécessaire pour rendre l’ALP compétitive en termes d’applications.Un moyen d’améliorer les propriétés des faisceaux d’électrons consiste à les accélérer dans un régime faiblement non linéaire en plusieurs étapes successives : l’ALP multi-étages. La source laser-plasma d’électrons, ou injecteur, doit générer des paquets d’électrons d’énergie modeste (50 − 100 MeV), de charge la plus importante possible, de faible dimension et de faible divergence. Les électrons doivent alors être injectés dans un second étage purement accélérateur dont l’objectif est d’augmenter leur énergie cinétique.L’objet de cette thèse est le développement d’un injecteur laser plasma pour l’ALP multi-étages. Dans le cadre d’une collaboration autour de l’equipex CILEX et du programme d’ALP à deux étages, un prototype d’injecteur a été construit, ELISA, reposant sur une cellule de gaz de longueur variable. La densité électronique du plasma, qui est un paramètre crucial pour le contrôle du faisceau d’électrons, a été caractérisée à la fois expérimentalement et numériquement. ELISA a été utilisée sur deux installations laser différentes, et les mécanismes physiques déterminant les paramètres des paquets d’électrons produits par ELISA ont été étudiés en fonction des nombreux paramètres expérimentaux. Une gamme de paramètres pertinents pour un injecteur laser plasma a été déterminée.Une ligne de transport et diagnostic magnétique a également été construite, implantée et testée sur l’installation UHI100 du CEA Saclay, permettant à la fois de caractériser plus finement les propriétés des paquets d’électrons générés par ELISA, mais aussi d’évaluer la qualité des paquets d’électrons transportés pour l’injection dans un second étage Laser wakefield acceleration (LWFA) is a particle acceleration process relying on the interaction between high intensity laser pulses, of the order of 10^{18} W/cm² and a plasma. The plasma wave generated in the laser wake sustain high amplitude electric fields (1-100 GV/m). Those electric fields are three orders of magnitude higher than maximum electric fields in radio frequency cavities and represent the main benefit of LWFA, allowing more compact acceleration. However improvements of the LWFA-produced electron bunches properties, stability and repetition rate are mandatory for LWFA to be usable for applications.A scheme to improve electron bunches properties and to potentially increase the repetition rate is multi-stage LWFA. The laser plasma electron source, called the injector, has to produce relatively low energy (50-100 MeV), but high charge, small size and low divergence electron bunches. Produced electron bunches then have to be transported and injected into a second stage to increase electron kinetic energy.The subject of this thesis is to study and design a laser wakefield electron injector for multi-stage LWFA. In the frame of CILEX and the two-stages LWFA program, a prototype of the injector was built : ELISA consisting in a variable length gas cell. The plasma electronic density, which is a critical parameter for the control of the electron bunches properties, was characterized both experimentally and numerically. ELISA was used at two different laser facilities and physical mechanisms linked to electron bunches properties were studied in function of experimental parameters. A range of experimental parameters suitable for an laser wakefield injector was determined.A magnetic transport and diagnostic line was also built, implemented and tested at the UHI100 laser facility of the CEA Saclay. It allowed a more precise characterization of electron bunches generated with ELISA as well as an estimation of the quality of transported electron bunches for their injection in a second laser wakefield stage

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SPECKA, ARNO. "Experience d'acceleration d'electrons a l'aide d'une onde plasma creee par le battement de deux impulsions laser. Etude du moniteur de faisceau d'electrons de 3 mev utilisant le rayonnement de transition optique et du spectrographe magnetique." Palaiseau, Ecole polytechnique, 1994. http://www.theses.fr/1994EPXX0006.

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Abstract:

Cette these presente mes contributions a l'experience d'acceleration d'electrons a l'aide d'une onde plasma creee par le battement de deux impulsions laser a l'ecole polytechnique. Le premier chapitre expose tout d'abord le principe d'acceleration de particules par ondes plasma creees par laser. Afin d'estimer le gain d'energie, j'etudie l'influence du profil longitudinal de l'onde plasma. J'obtiens un gain d'environ 1 mev sur une longueur d'acceleration de 3 mm. Dans le deuxieme chapitre, je presente le moniteur de faisceau d'electrons injecte d'une energie de 3 mev. Ce moniteur utilise le rayonnement de transition optique et possede une resolution spatiale de 10 microns. Il permet l'alignement relatif des faisceaux d'electrons et laser et ainsi le controle de l'injection des electrons dans un plasma d'environ 0,1 mm de diametre. Le troisieme chapitre expose la conception du spectrographe magnetique qui analyse les electrons acceleres suivant leur impulsion. L'etude de la classe des dipoles stigmatiques amene a la selection d'une combinaison d'un quadrupole et d'un dipole. Ce spectrographe est stigmatique a l'energie d'injection (3mev) et possede une large plage en energie ainsi qu'une grande acceptance angulaire.

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Beaurepaire, Benoit. "Développement d’un accélérateur laser-plasma à haut taux de répétition pour des applications à la diffraction ultra-rapide d’électrons." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2016. http://www.theses.fr/2016SACLX013/document.

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Abstract:

La microscopie électronique et la diffraction d’électrons ont permis de comprendre l’organisation des atomes au sein de la matière. En utilisant une source courte temporellement, il devient possible de mesurer les déplacements atomiques ou les modifications de la distribution électronique dans des matériaux. A ce jour, les sources ultra-brèves pour les expériences de diffraction d’électrons ne permettent pas d’atteindre une résolution temporelle inférieure à la centaine de femtosecondes (fs). Les accélérateurs laser-plasma sont de bons candidats pour atteindre une résolution temporelle de l’ordre de la femtoseconde. De plus, ces accélérateurs peuvent fonctionner à haut taux de répétition, permettant d’accumuler un grand nombre de données.Dans cette thèse, un accélérateur laser-plasma fonctionnant au kHz a été développé et construit. Cette source accélère des électrons à une énergie de 100 keV environ à partir d’impulsions laser d’énergie 3 mJ et de durée 25 fs. La physique de l’accélération a été étudiée, démontrant entre autres l’effet du front d’onde laser sur la distribution transverse des électrons.Les premières expériences de diffraction avec ce type de sources ont été réalisées. Une expérience de preuve de principe a montré que la qualité de la source est suffisante pour obtenir de belles images de diffraction sur des feuilles d’or et de silicium. Dans un second temps, la dynamique structurelle d’un échantillon de Silicium a été étudiée avec une résolution temporelle de quelques picosecondes, démontrant le potentiel de ce type de sources.Pour augmenter la résolution temporelle à sub-10 fs, il est nécessaire d’accélérer les électrons à des énergies relativistes de quelques MeV. Une étude numérique a montré que l’on peut accélérer des paquets d’électrons ultra-courts grâce à des impulsions laser de 5 mJ et 5 fs. Il serait alors possible d’atteindre une résolution temporelle de l’ordre de la femtoseconde. Finalement, une expérience de post-compression des impulsions laser due à l’ionisation d’un gaz a été réalisée. La durée du laser a pu être réduite d’un facteur deux, et l’homogénéité de ce processus a été étudiée expérimentalement et numériquement Electronic microscopy and electron diffraction allowed the understanding of the organization of atoms in matter. Using a temporally short source, one can measure atomic displacements or modifications of the electronic distribution in matter. To date, the best temporal resolution for time resolved diffraction experiments is of the order of a hundred femtoseconds (fs). Laser-plasma accelerators are good candidates to reach the femtosecond temporal resolution in electron diffraction experiments. Moreover, these accelerators can operate at a high repetition rate, allowing the accumulation of a large amount of data.In this thesis, a laser-plasma accelerator operating at the kHz repetition rate was developed and built. This source generate electron bunches at 100 keV from 3 mJ and 25 fs laser pulses. The physics of the acceleration has been studied, and the effect of the laser wavefront on the electron transverse distribution has been demonstrated.The first electron diffraction experiments with such a source have been realized. An experiment, which was a proof of concept, showed that the quality of the source permits to record nice diffraction patterns on gold and silicium foils. In a second experiment, the structural dynamics of a silicium sample has been studied with a temporal resolution of the order of a few picoseconds.The electron bunches must be accelerated to relativistic energies, at a few MeV, to reach a sub-10 fs temporal resolution. A numerical study showed that ultra-short electron bunches can be accelerated using 5 fs and 5 mJ laser pulses. A temporal resolution of the order of the femtosecond could be reached using such bunches for electron diffraction experiments. Finally, an experiment of the ionization-induced compression of the laser pulses has been realized. The pulse duration was shorten by a factor of 2, and the homogeneity of the process has been studied experimentally and numerically

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Wojda, Franck. "Mesure de l'amplitude d'une onde de plasma créée par sillage laser guidé." Phd thesis, Université Paris Sud - Paris XI, 2010. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00485671.

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Abstract:

L'interaction d'une impulsion laser intense et de courte durée avec un plasma permet de produire une onde de plasma de grande amplitude dans son sillage, auquel est associé un champ électrique longitudinal. Celui-ci peut être utilisé pour accélérer des électrons relativistes injectés dans l'onde jusqu'à de grandes énergies - de l'ordre du GeV - sur de courtes distances - quelques centimètres - au regard des distances dans les accélérateurs conventionnels. Le contrôle des caractéristiques du faisceau d'électrons lors du processus d'accélération est fondamental pour réaliser un étage d'accélération laser-plasma utilisable. Le travail de thèse a porté sur la création et la caractérisation d'une onde de plasma en régime faiblement non linéaire sur une longueur de plusieurs centimètres. Des tubes capillaires sont utilisés pour guider le faisceau laser sur ces distances tout en maintenant une intensité susante (~ 1E17 W/cm²). Le faisceau laser guidé ionise le gaz contenu dans le tube et crée l'onde de plasma. Un diagnostic optique reposant sur la modification du spectre de l'impulsion laser a été utilisé pour déterminer l'amplitude de l'onde de plasma le long du tube. Sa dépendance en fonction de la pression de remplissage du gaz, de la longueur du capillaire et de l'énergie laser, a été étudiée. Les résultats expérimentaux comparés aux résultats analytiques et de modélisation sont en excellent accord, et montrent que le champ électrique associé à l'onde de plasma est compris entre 1 et 10 GV/m sur une longueur allant jusqu'à 8 cm. Ce travail a permis de montrer la possibilité de créer de façon contrôlée une onde de plasma en régime faiblement non linéaire.

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Desforges, Frédéric. "Injection induite par ionisation pour l’accélération laser-plasma dans des tubes capillaires diélectriques." Thesis, Paris 11, 2015. http://www.theses.fr/2015PA112118/document.

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Abstract:

L’interaction d’une impulsion laser, courte (~ 10 - 100 fs) et ultra-intense (> 10^18 W/cm²), avec un plasma sous-dense (< 10^19 cm^-3) peut accélérer, de manière compacte, une fraction des électrons du plasma jusqu’à des énergies relativistes (~ 100 - 300MeV). Ce phénomène, nommé accélération plasma par sillage laser (APSL), pourrait avoir de nombreuses applications telles que le futur collisionneur d’électrons a ultra-hautes énergies. Cependant, cela requiert au préalable des développements supplémentaires afin que l’APSL produise des paquets d’électrons stables et reproductibles avec une excellente qualité, c’est-à-dire de faibles émittances longitudinale et transverses.Au cours de cette thèse, une étude expérimentale de la stabilité et de la reproductibilité des paquets d’électrons auto-injectes a été réalisée dans des tubes capillaires diélectriques, de longueur 8-20mm et de rayon interne 76-89 µm, contenant du H2 pur a une densité électronique de (10 +/- 1, 5)x10^18 cm^-3. Des paquets d’électrons auto-injectes ont été produits, a une cadence de deux tirs par minute, avec une charge accélérée au-delà de 40 MeV de (66+/-7) pC, une énergie moyenne de (65+/-6) MeV, une divergence de (9+/-1) mrad et une fluctuation de pointe de 2,3 mrad. Trois sources de fluctuations et de dérives des propriétés des paquets d’électrons ont été discutées : dérive d’énergie laser, modification du gradient montant de densité électronique et fluctuations du pointé laser. Des contraintes sur le régime de fonctionnement ont été proposées afin d’améliorer la stabilité et la reproductibilité de la source laser-plasma d’électrons.Un mécanisme alternatif d’injection d’électrons dans l’onde de plasma a également été examiné : l’injection induite par ionisation. Une étude expérimentale a montré que les paquets d’électrons accélérés dans un mélange de 99%H2 + 1%N2 ont une charge deux fois plus importante qu’en présence de H2 pur. De plus, une injection plus précoce a été observée pour le mélange de 99%H2 + 1%N2, indiquant que les premiers électrons sont captures selon le mécanisme d’injection induite par ionisation. Une étude complémentaire, utilisant des simulations Particle-In-Cell avec le code WARP, confirment les résultats expérimentaux et suggèrent que l’auto-injection est supprimée par l’injection induite par ionisation The interaction of a short (~ 10 - 100 fs) and ultra-intense (> 10^18 W/cm²) laser pulse with an underdense (< 10^19 cm^-3) plasma can accelerate, in a compact way, a fraction of the electrons of the plasma toward relativistic energies (~ 100 - 300MeV). This mechanism, called laser wakefield acceleration (LWFA), might have various applications such as the future ultra-high energy electron collider. Prior to this, additional investigations are needed to ensure, through LWFA, a stable and reproducible generation of electron bunches of high quality, i.e. low transverse and longitudinal emittances.In this thesis, the stability and the reproducibility of the electron self-injection were experimentally investigated in 8-20mm long, dielectric capillary tubes, with an internal radius of 76-89 µm, and filled with pure H2 at an electronic density of de (10 +/- 1.5)x10^18 cm^-3. Electron bunches were produced, at a rate of two shots per minute, with an accelerated charge above 40 MeV of (66+/-7) pC, a mean energy of (65+/-6) MeV, a divergence of (9+/-1) mrad, and a pointing fluctuation of 2.3 mrad. Three sources were identified for the fluctuations and drifts of the electron bunch properties: laser energy drift, change of the electron number density upramp, and laser pointing fluctuations. Restrictions on the operating regime were proposed in order to improve the stability and the reproducibility of the laser-plasma electron source.An alternative mechanism of electron injection into the plasma wave was also investigated: the ionization-induced injection. An experimental study demonstrated that electron bunches generated in a mixture of 99%H2 + 1%N2 have twice more accelerated charge than in the case of pure H2. Moreover, the earlier onset of electron injection was observed for the mixture 99%H2 + 1%N2, indicating that the first electrons were trapped under the mechanism of ionization-induced injection. Particle-In-Cell simulations performed with the code WARP confirm the experimental results and suggest that the self-injection was inhibited by the ionization-induced injection

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Rechatin, Clément. "Accélération d'électrons dans l'interaction laser-plasma : développement et caractérisation d'un injecteur optique." Phd thesis, Ecole Polytechnique X, 2009. http://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00005570.

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Dans tout accélérateur de particules, l'injecteur est d'une importance cruciale car il détermine la plupart des caractéristiques du faisceau accéléré. Les accélérateurs laser plasma, basés sur l'interaction d'une impulsion laser ultra brève et ultra intense avec un plasma sous dense, ne dérogent pas à cette règle. Cependant, pour ces accélérateurs ultra compacts, l'injection est un véritable défi : pour obtenir une source de bonne qualité, il faut injecter un faisceau d'électrons ultra court synchronisé très précisément avec le laser. Dans cette thèse, la pertinence d'un injecteur optique, utilisant une deuxième impulsion laser, est démontrée expérimentalement. Cet injecteur permet d'obtenir des faisceaux d'électrons mono-énergétiques de façon stable. De plus, cet injecteur permet de régler les paramètres du faisceau produit. Ainsi l'énergie, la charge et la dispersion en énergie du faisceau sont ajustables simplement, en changeant les paramètres de la deuxième impulsion laser. Ces contrôles supplémentaires permettent d'étudier précisément les phénomènes physiques ayant lieu lors de l'accélération du faisceau d'électrons. Ainsi, les effets de beam loading, liés à l'interaction du faisceau d'électrons avec le plasma, ont pu être mis en évidence et étudiés. L'optimisation de l'injecteur a permis d'obtenir les faisceaux d'électrons les plus fins spectralement mesurés à ce jour dans l'interaction laser plasma, avec des dispersions en énergie de l'ordre du pourcent.

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Tatomirescu, Emilian-Dragos. "Accélération laser-plasma à ultra haute intensité - modélisation numérique." Thesis, Bordeaux, 2019. http://www.theses.fr/2019BORD0013/document.

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Abstract:

Avec les dernières augmentations de l'intensité maximale de laser réalisable grâce à de courtes impulsions à haute puissance (gamme femtoseconde) un intérêt a surgi dans les sources de plasma laser potentiels. Les lasers sont utilisés en radiographie proton, allumage rapide, hadronthérapie, la production de radioisotopes et de laboratoire astrophysique. Au cours de l'interaction laser-cible, les ions sont accélérés par des processus physiques différents, en fonction de la zone de la cible. Tous ces mécanismes ont un point commun: les ions sont accélérés par des champs électriques intenses, qui se produisent en raison de la séparation de forte charge induite par l'interaction de l'impulsion laser avec la cible, directement ou indirectement. Deux principales sources distinctes pour le déplacement de charge peuvent être mis en évidence. Le premier est le gradient de charge provoquée par l'action directe de la force ponderomotive de laser sur les électrons dans la surface avant de la cible, qui est la prémisse pour le processus d'accélération des radiations de pression (RPA). Une deuxième source peut être identifiée comme provenant du rayonnement laser qui est transformée en énergie cinétique d'une population d'électrons relativistes chaud (~ quelques MeV). Les électrons chauds se déplacent et font recirculer à travers la cible et forment un nuage d'électrons relativistes à la sortie de la cible dans le vide. Ce nuage, qui se prolonge pour plusieurs longueurs de Debye, crée un champ électrique extrêmement intense longitudinal, la plupart du temps dirigé le long de la surface normale, ce qui, par conséquent, est la cause de l'accélération d'ions efficace, qui conduit à l'accélération cible normale gaine (TNSA) processus . Le mécanisme TNSA permet d'utiliser des géométries différentes cibles afin de parvenir à une meilleure focalisation des faisceaux de particules de l'ordre de plusieurs dizaines de microns, avec des densités d'énergie élevées. Les électrons chauds sont produits par l'irradiation d'une feuille solide avec une impulsion laser intense; ces électrons sont transportés à travers la cible, la formation d'un champ électrostatique fort, normal à la surface cible. Protons et les ions chargés positivement de la surface arrière de la cible sont accélérés par ce domaine jusqu'à ce que la charge de l'électron est compensée. La densité d'électrons chauds et la température dans le vide arrière dépendent des propriétés géométriques et de composition cibles tels que la courbure de la cible, les structures de mise au point d'impulsion et de microstructure pour l'accélération de protons améliorée. Au cours de ma première année, j'ai étudié les effets de la géométrie de la cible sur le proton et l'ion énergie et la distribution angulaire afin d'optimiser les faisceaux de particules laser accéléré au moyen de deux dimensions (2D) particule-in-cell (PIC) simulations de l'interaction de l'ultra-court impulsions laser avec plusieurs cibles microstructurées. Également au cours de cette année, je l'ai étudié la théorie derrière les modèles utilisés With the latest increases in maximum laser intensity achievable through short pulses at high power (femtosecond range) an interest has arisen in potential laser plasma sources. Lasers are used in proton radiography, rapid ignition, hadrontherapy, production of radioisotopes and astrophysical laboratory. During the laser-target interaction, the ions are accelerated by different physical processes, depending on the area of the target. All these mechanisms have one thing in common: the ions are accelerated by intense electric fields, which occur due to the separation of high charge induced by the interaction of the laser pulse with the target, directly or indirectly. Two main distinct sources for charge displacement can be identified. The first is the charge gradient caused by the direct action of the laser ponderomotive force on the electrons in the front surface of the target, which is the premise for the pressure ramping acceleration (RPA) process. A second source can be identified as coming from the laser radiation which is transformed into kinetic energy of a hot relativistic electron population (~ a few MeV). The hot electrons move and recirculate through the target and form a cloud of relativistic electrons at the exit of the target in a vacuum. This cloud, which extends for several lengths of Debye, creates an extremely intense longitudinal electric field, mostly directed along the normal surface, which is therefore the cause of effective ion acceleration, which leads to the normal target sheath acceleration (TNSA) process. The TNSA mechanism makes it possible to use different target geometries in order to obtain a better focusing of the beams of particles on the order of several tens of microns, with high energy densities. Hot electrons are produced by irradiating a solid sheet with an intense laser pulse; these electrons are transported through the target, forming a strong electrostatic field, normal to the target surface. Protons and positively charged ions from the back surface of the target are accelerated by this domain until the charge of the electron is compensated. The density of hot electrons and the temperature in the back vacuum depend on the target geometric and compositional properties such as target curvature, pulse and microstructure tuning structures for enhanced proton acceleration. In my first year I studied the effects of target geometry on the proton and energy ion and angular distribution in order to optimize the accelerated laser particle beams by means of two-dimensional (2D) particle -in-cell (PIC) simulations of the interaction of ultra-short laser pulses with several microstructured targets. Also during this year, I studied the theory behind the models used

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André, Arnaud. "Etude numérique de l’interaction laser-plasma sous dense : de la propagation de l’impulsion au rayonnement émis par les électrons accélérés." Thesis, Paris 11, 2012. http://www.theses.fr/2012PA112098.

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Abstract:

Lors de le la propagation d’une impulsion laser ultra- intense et ultra-brève dans un plasma sous dense une onde de plasma se forme dans son sillage, susceptible d’accélérer des électrons à des énergies élevées sur de très courtes distances. Dans un régime d’excitation extrêmement non-linéaire, connu sous le nom de régime de la bulle, on peut obtenir des faisceaux mono-énergétiques d’électrons relativistes. Si les faisceaux d’électrons issus de l’interaction sont aujourd’hui bien caractérisés, de nombreux paramètres de l’interaction restent inaccessibles, faute de diagnostics adaptés. Nous avons tenté de répondre à cette problématique au cours de cette thèse, en étudiant à l’aide de simulations numériques comment interpréter le rayonnement issu de l’interaction pour déterminer la dynamique du milieu.La première partie de l’étude est consacrée aux propriétés du rayonnement des électrons accélérés, qui s’étend jusque dans le domaine des X. L’étude des caractéristiques de l’émission doit pouvoir renseigner sur le mouvement des électrons du milieu et plus généralement sur l’interaction laser-plasma. Les études menées dans le cadre de cette thèse montrent qu’en effet l’observation du rayonnement permet de déterminer la direction des électrons du faisceau en fin d’accélération, et dans une certaine mesure, leur répartition à l’intérieur du faisceau.La deuxième partie concerne la propagation en milieu sous dense. Le plasma perturbe l’impulsion au cours de sa propagation, modifiant ses caractéristiques spatiales et spectrales. Nous avons étudié ces effets lorsque le milieu est constitué d’un gaz d’azote puis d’argon. Nos résultats mettent en évidence les contributions respectives de l’auto-modulation de l’impulsion ainsi que celle du gradient de densité électronique créé par l’ionisation des gaz dans leurs différents états de charge. L’étude a été poursuivie dans des conditions d’accélération exploitant un gaz plus léger et à plus haute intensité, dans le régime de la bulle. Nous avons identifié l’origine des variations des conditions d’interaction observées dans la première partie An intense and short laser pulse propagating through an under dense plasma creates a plasma wave in its wake. The huge electric fields generated by this wave are responsible for the acceleration of trapped electrons to high energies in a very short distance. A nonlinear acceleration regime, known as the bubble regime, is particularly exciting as it generates mono-energetic electron beams. Outstanding results have been obtained recently in this thematic. However, while the electron beam itself has been widely characterized, there is still a lack of information concerning the detail of the interaction process itself. During my thesis work, I contribute to bring responses to this problematic, by studying the information carried out by the light emitted during interaction using intensive numerical simulations.The first part of my thesis is the dedicated to the links existing between the properties of accelerated electrons and the radiation they emit. From its properties, we can deduce the direction of the electron beam at the end of the acceleration, as well as in some particular conditions inside the beam. It is also possible to observe variations of the interaction through radiations.The second part is dedicated to the pulse propagation study. The pulse shape and spectrum of the laser pulse can be modified during the interaction of the laser within the medium. We have studied the propagation of the pulse in Nitrogen and Argon for slightly relativistic intensity. We showed that in given conditions, the pulse spectrum can be shifted due to self-modulation, the generation of an electronic density gradient due to the gas ionization. We also studied the pulse propagation at higher intensity, in the bubble regime. We identified the origin of interaction variations, observed in the first part of the thesis through the emitted radiation study

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Cavallone, Marco. "Application of laser-plasma accelerated beams to high dose-rate radiation biology." Thesis, Institut polytechnique de Paris, 2020. http://www.theses.fr/2020IPPAX063.

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Le cancer est la deuxième cause de décès dans le monde, représentant environ un décès sur six en 2018. Parmi les techniques employées de nos jours dans la lutte contre le cancer, l’une des plus utilisées et prometteuses est la radiothérapie, technique consistant en l’utilisation de rayonnements ionisants afin de déposer de l’énergie dans la tumeur pour la traiter. Or, puisque les cellules saines sont également endommagées par les rayonnements, le but de la radiothérapie est d’augmenter la sélectivité du traitement en épargnant autant que possible les tissus sains. L’optimisation de la sélectivité repose sur plusieurs aspects, comprenant l’optimisation spatiale de la dose, la précision de l’imagerie et de la dosimétrie, le type de rayonnement et la structure temporelle utilisée pour délivrer la dose. En particulier, le rôle du débit de dose et du temps d’irradiation n’a pas encore été explorés en détail.Les accélérateurs cliniques délivrent la dose avec un débit de dose d’environ quelques Gy/min, ce qui entraîne des temps d’irradiation de l’ordre de quelques minutes. Si, d’une part, l’effet d’une réduction du débit de dose de l’ordre de cGy/min sur la réponse biologique est bien connu, d’autre part l’effet d’un débit de dose élevé doit encore être éclairci. Recemment, des études in vivo réalisées avec des électrons et des photons produits par des prototypes d’accélérateurs ont montré que l’administration de la dose dans un temps court (<500 ms) et à un débit de dose élevé (>40 Gy/s) augmente la sélectivité du traitement en réduisant le risque d’effets secondaires sur les tissus sains. Bien que les causes de ce phénomène soient encore à l’étude, le protocole FLASH a été testé avec succès sur le premier patient en 2019. Ces résultats soulignent l’importance de la structure temporelle de l’irradiation et les avantages potentiels que les protocoles d’irradiation à haut débit de dose peuvent apporter en clinique. Or, l’utilisation de ces protocoles demande une compréhension plus approfondie des processus physico-chimiques et biologiques déclenchés par un dépôt de dose rapide.Dans ce contexte, les faisceaux de particules accélérées par laser représentent un outil unique pour jeter de la lumière sur les processus qui régissent la réponse biologique suite à une irradiation à haut débit de dose. Ces faisceaux sont produits en focalisant une impulsion laser ultra-courte (~fs) et ultra-intense (1019 W/cm2) sur une cible mince solide ou gazeuse (~μm), ce qui produit des faisceaux de particules ayant une durée de l’impulsion allant de la picoseconde à la femtoseconde. Ces caractéristiques permettent d’atteindre un débit de dose dans l’impulsion de l’ordre de ~109 Gy/s, c’est-à-dire des conditions d’irradiation extrêmement différentes par rapport aux protocoles de traitement conventionnels et FLASH. Pour cette raison, les faisceaux de particules accélérées par laser ont reçu une grande attention au cours des dernières années, mais leur effet biologique est toujours en discussion et d’autres études plus approfondies sont nécessaires.Cette thèse décrit les atouts des Protons Accélérés par Laser (PAL) et des Électrons Accélérés par Laser (EAL) produits par différents types de laser à haute puissance disponibles dans le commerce. En particulier, elle présente des études expérimentales et théoriques réalisées avec trois types de faisceaux permettant différentes modalités temporelles d’administration de la dose. L’objectif est de traiter certains des principaux problèmes liés à l’application de ces sources de particules à la biologie des rayonnements et de montrer des solutions et des techniques viable pour mener des études de radiobiologie systématique. Cela demande une caractérisation précise de ces faisceaux, l’optimisation de la distribution de la dose dans la cible biologique à travers la conception de lignes de transport adaptées et, enfin, l’étude de la réponse des instruments de dosimétrie utilisés en clinique à haut débit de dose Cancer is the second leading cause of death globally, accounting for an estimated 9.6 million deaths, or one in six deaths, in 2018. Besides surgery and chemotherapy, radiotherapy is one of the major treatment modality. It consists in the use of ionising radiation to kill cancerous cells by depositing energy into the tumour and destroying the genetic material that controls how cells grow and divide. While both cancerous and healthy cells are damaged by radiation, the goal of radiotherapy is to increase the treatment selectivity by sparing as much as possible the healthy tissues. Optimisation of the selectivity reposes on several aspects, including spatial optimisation of the dose, precision of imaging techniques and dosimetry instruments, use of different radiations and temporal structures of dose delivery. In particular, the role of the dose-rate and the total irradiation time has not been extensively explored yet.Clinical accelerators typically deliver the dose with a dose rate around few Gy/min, leading to exposure times in the order of few minutes to deliver a therapeutic dose. While the effect of a reduction of the dose rate in the order of cGy/min is well known, the effect of high-dose rate, fast irradiation on living cells still need to be elucidated. Evidences of an effect of the high dose-rate on the biological response have been recently observed in many studies. In particular, in-vivo studies performed with electrons and photons produced by accelerator prototypes have shown that delivering the prescribed dose in a short exposure time (<500ms) and at a high dose-rate (>40Gy/s) increases the treatment selectivity by reducing the occurrence of secondary effects on healthy tissues compared to conventional treatments with the same total dose. Although theoretical explanations underpinning such phenomenon are still under discussion, the so-called FLASH protocol has been successfully tested with the first human patient in 2019, paving the way for further research in this domain. These important results point out the importance of the dose delivery modality on the treatment selectivity and the potential benefit that high dose-rate protocols may bring to clinics, asking for a deeper understanding of the physico-chemical and biological processes following fast dose deposition.In this scenario, Laser-Driven Particle (LDP) beams represent a unique tool to shed some light on the radiobiological response following high-dose rate irradiation. LDP sources are produced by focusing an ultra-short (~fs) and ultra-intense (1019 W/cm2) laser pulse on a solid or gaseous thin target (~μm), producing proton and electron bunches with duration of respectively a few picoseconds and a few femtoseconds. These characteristics allow the reach of extremely high peak dose-rate in the pulse of the order of ~109 Gy/s in comparison with conventional and FLASH treatment protocols. For this reason, LDP sources have been receiving great attention in the last decade, but their radiobiological effect is still debated and further systematic studies are required.This thesis discusses the potential of both Laser-Accelerated Protons (LAP) and Laser-Accelerated Electrons (LAE) produced by different types of commercially available high-power lasers systems. In particular, it presents experimental and theoretical studies carried out with three different types of LDP beams, i.e. Hz LAPs, single-shot LAPs and kHz LAEs, enabling different temporal modalities of dose delivery. The goal is to address some of the main issues related to the application of such sources to radiation biology and show viable solutions and irradiation protocols to perform systematic radiobiology studies. Such issues include accurate characterisation of the source, optimisation of the dose distribution at the biological target through the design of adapted transport beamlines and investigation of the behaviour of dosimetric instruments for high dose-rate dosimetry

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Lee, Patrick. "Modélisation d'un injecteur laser-plasma pour l'accélération multi-étages." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2017. http://www.theses.fr/2017SACLS180/document.

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Abstract:

L’accélération par sillage laser (ASL) repose sur l’interaction entre un faisceau laser intense et un plasma sous-dense. Au travers de cette interaction, une onde de plasma est générée avec un fort champ accélérateur, de trois ordres de grandeur plus élevé que celui d’un accélérateur conventionnel, rendant envisageable la réalisation d’accélérateurs futurs plus compacts. Pour la conception d’un futur accélérateur, un faisceau d’électrons de forte charge, faible dispersion en énergie et faible émittance doit être accéléré à des grandes énergies. Pour ce faire, la solution consiste à accélérer ces électrons dans un schéma multi-étages, qui est composé de trois étages: un injecteur, une ligne de transport et un accélérateur. Ce travail de thèse porte sur la modélisation de l’injecteur avec le code PIC Warp et sur les méthodes numériques telles que la technique de Lorentz-boosted frame pour diminuer le temps de calcul et la couche absorbante parfaite de Bérenger (PML) pour assurer la précision des calculs numériques. Ce travail de thèse a démontré l’efficacité de la PML dans les schémas FDTD à des ordres élevés et pseudo-spectral. Il a aussi démontré la convergence des résultats des simulations réalisées avec la technique de Lorentz-boosted frame dans un régime fortement non-linéaire de l’injecteur, permettant d’accélérer les calculs d’un facteur important (36) tout en assurant leur précision. La modélisation effectuée dans cette thèse a permis d’analyser et de comprendre les résultats expérimentaux, ainsi que de prédire les résultats des futures expériences. Plusieurs méthodes d’optimisation de l’injecteur ont également été proposées pour la génération d’un faisceau d’électrons conforme aux spécifications d’un futur accélérateur Laser Wakefield Acceleration (LWFA) relies on the interaction between an intense laser pulse and an under-dense plasma. This interaction generates a plasma wave with a strong accelerating field, which is three orders of magnitude higher than the one of the conventional accelerator; more compact accelerator is therefore theoretically possible. In the design of a future accelerator, a high quality electron bunch with a high charge, low energy spread and low emittance has to be accelerated to high energies. A solution for this is a multi-stage accelerator, which consists of an injector, a transport line and accelerator stages. This research work focuses on the modelling of the injector using the PIC code Warp and on the numerical methods such as the Lorentz-boosted frameto speedup calculations and the Perfectly Matched Layer (PML) to ensure the precision in numerical calculations. The outcome of this thesis has demonstrated the efficiency of the PML in the high-order FDTD and the pseudo-spectral solvers. Besides, it has also demonstrated the convergence of the results performed in simulations using the Lorentz-boosted frame technique. This technique speeds up simulations by a large factor (36) while preserving their accuracy. The modelling work in this thesis has allowed analysis and understanding of experimental results, as well as prediction of results for future experiments. This thesis has also shown ways to optimize the injector to deliver an electron bunch that conforms with the specifications of future accelerators

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Zemzemi, Imene. "High-performance computing and numerical simulation for laser wakefield acceleration with realistic laser profiles." Thesis, Institut polytechnique de Paris, 2020. http://www.theses.fr/2020IPPAX111.

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Abstract:

Le développement des lasers ultra-courts à de hautes intensités a permis l’émergence de nouveaux domaines de recherche en relation avec l’interaction laser-plasma. En particulier, les lasers petawatt femtoseconde ont ouvert la voie vers la possibilité de concevoir une nouvelle génération d’accélérateurs de particules. La modélisation numérique a largement contribué à l’essor de ce domaine d’accélération des électrons par sillage laser. Dans ce contexte, les codes Particle-In-Cell sont les plus répandus dans la communauté. Ils permettent une description fiable de l’interaction laser plasma et surtout de l’accélération par sillage laser.Cependant, une modélisation précise de la physique en jeu nécessite de recourir à des simulations 3D particulièrement coûteuses. Une manière pour accélérer efficacement ce type de simulations est l’utilisation de modèles réduits qui, tout en assurant un gain en temps de calcul très important, garantissent une modélisation fiable du problème. Parmi ces modèles, la décomposition des champs en modes de Fourier dans la direction azimutale est particulièrement adaptée à l’accélération laser plasma.Dans le cadre de ma thèse, j’ai implémenté ce modèle dans le code open-source SMILEI, dans un premier temps, avec un schéma différences finies (FDTD) pour discrétiser les équations de Maxwell. Néanmoins, ce type de solveur peut induire un effet de Cherenkov numérique qui corrompt les résultats de la simulation. Pour mitiger cet artéfact, j’ai également implémenté une version pseudo-spectrale du solveur de Maxwell qui présente de nombreux avantages en termes de précision numérique.Cette méthode est ensuite mise en oeuvre pour étudier l’impact de profils de lasers réalistes sur la qualité du faisceau d’électrons en exploitant des mesures réalisées sur le laser Apollon. Sa capacité à modéliser correctement les processus physiques présents est analysée en déterminant le nombre de modes nécessaires et en comparant les résultats avec ceux issus des simulations 3D en géométrie Cartésienne. Cette étude montre qu’inclure les défauts du laser mène à des différences dans les résultats et que ces derniers dégradent la performance des accélérateurs-laser plasma notamment en termes de quantité de charge injectée. Ces simulations, instructives pour les futures expériences d’accélération d’électrons par le laser Apollon, mettent en avant la nécessité d’inclure les mesures expérimentales dans la simulation et particulièrement celle du front de phase, pour aboutir à des résultats précis The advent of ultra-short high-intensity lasers has paved the way to new and promising, yet challenging, areas of research in laser-plasma interaction physics. The success of building petawatt femtosecond lasers offers a promising path for designing future particle accelerators and light sources.Achieving this goal intrinsically relies on the combination of experiments and numerical modeling. So far, Particle-In-Cell (PIC) codes have been the ultimate tool to accurately describe the laser-plasma interaction especially in the field of Laser WakeField Acceleration (LWFA). Nevertheless, the numerical modeling of laser-plasma accelerators in 3D can be a very challenging task due to their high computational cost.A useful approach to speed up such simulations consists of employing reduced numerical modes which simplify the problem while retaining a high fidelity.Among these models, Fourier field decomposition in azimuthal modes for the cylindrical geometry is particularly well suited for physical problems with close to cylindrical symmetry, which is the case in LWFA.During my Ph.D., I first implemented this method in the open-source code SMILEI in the Finite Difference Time Domain (FDTD) discretization scheme for the Maxwell solver. However, this kind of solvers may suffer from numerical Cherenkov radiation (NCR). To mitigate this artifact, I also implemented Maxwell’s solver in the Pseudo Spectral Analytical Domain (PSATD) scheme which offers better accuracy of the results.This method is then employed to study the impact of realistic laser profiles from the Apollon facility on the quality of the accelerated electron beam. Its ability to correctly model the involved physical processes is investigated by determining the optimal number of modes and benchmarking its results with full 3D Cartesian simulations. It is shown that the imperfections in the laser pulse lead to differences in the results compared to theoretical profiles. They degrade the performance of laser-plasma accelerators especially in terms of the quantity of injected charge. These simulations, insightful for the future experiments of LWFA that will be held soon with the Apollon laser, put forward the importance of including realistic lasers in the simulation to obtain reliable results

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Ghaith, Amin. "Towards compact and advanced Free Electron Laser." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019SACLS333/document.

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Abstract:

Les lasers à électrons libres (LEL) X sont aujourd'hui des sources lumineuses cohérentes et intenses utilisées pour des investigations multidisciplinaires de la matière. Un nouveau schéma d'accélération, l'accélérateur laser plasma (LPA), est maintenant capable de produire une accélération de quelques GeV/cm, bien supérieure à celle des linacs radiofréquence. Ce travail de thèse a été mené dans le cadre des programmes de R&D du projet LUNEX5 (laser à électrons libres utilisant un nouvel accélérateur pour l’exploitation du rayonnement X de 5e génération) de démonstrateur LEL avancé et compact avec applications utilisatrices pilotes. Il comprend un linac supraconducteur de 400 MeV de haute cadence (10 kHz) pour l’étude de schémas LEL avancés, et LPA pour sa qualification par une application LEL. La ligne LEL utilise une configuration d’injection avancée dans la plage spectrale 40-4 nm par génération d’harmoniques à gain élevé (HGHG) et schéma d’écho (EEHG) avec des onduleurs compacts cryogéniques à champ élevé de courte période courte. L'étude de solutions adaptées aux applications LEL compactes et avancées est donc examinée. Un premier aspect concerne la réduction du milieu de gain du LEL (électrons dans l'onduleur), le raccourcissement de la période se faisant au détriment du champ magnétique. Les onduleurs cryogéniques compacts à base d'aimants permanents cryogéniques (CPMU), dans lesquels les performances de l'aimant sont améliorées à la température cryogénique sont étudiés. Une deuxième partie du travail développée dans le cadre l’expérience de R&D COXINEL visant à démontrer l’amplification LEL à l’aide d’un LPA. La ligne permet de manipuler les propriétés des faisceaux d’électrons produits (dispersion en énergie, divergence, variation de pointé) avant d’être utilisées pour des applications de sources lumineuses. Le faisceau d'électrons généré est très divergent et nécessite une bonne manipulation juste après la source avec des quadrupôles forts placés immédiatement après la génération d'électrons. Ainsi, des quadrupôles innovants à aimants permanents de gradient élevé réglable appelés «QUAPEVA», sont développés. Ils sont optimisés avec le code RADIA et caractérisées avec trois mesures magnétiques. Un gradient de 200 T/m avec une variabilité de 50 % est obtenu tout en maintenant une excursion du centre magnétique réduite à ± 10 µm, qui a permis un alignement par compensation de pointé du faisceau dans COXINEL grâce au centre magnétique variable des systèmes, avec un faisceau bien focalisé sans dispersion. Les QUAPEVA constituent des systèmes originaux dans le paysage des quadrupôles à de gradient élevé et variable développés jusqu'à présent. Une troisième partie des travaux concerne l’observation du rayonnement d’onduleur monochromatique ajustable sur la ligne COXINEL. Le faisceau d'électrons d'énergie de 170 MeV est transporté et focalisé dans un CPMU de 2 m et de période de 18 mm émettant à 200 nm. Le flux spectral est caractérisé à l'aide d'un spectromètre UV et le flux angulaire mesuré par une caméra CCD. La longueur d'onde est accordée avec l’entrefer. Les distributions spatio-spectrales mesurées en forme de lune du rayonnement de l'onduleur sont bien reproduites par les simulations de rayonnement utilisant les distributions d’électrons mesurées et transportées le long de la ligne. Elles permettent aussi de renseigner sur la qualité du faisceau d’électrons, de son transport et d'en estimer les paramètres tels que la dispersion en énergie et la divergence. Le dernier aspect du travail est lié à la comparaison entre la génération des harmoniques en gain élevé et le schéma d’écho, dans le cadre de ma participation à une expérience réalisée à FERMI @ ELETTRA. Nous avons pu démontrer un LEL de type écho à 5,9 nm, avec spectres plus étroits et une meilleure reproductibilité que le schéma HGHG à deux étages. Cette thèse constitue un pas en avant vers les lasers à électrons libres compacts et avancés X-ray Free Electron Lasers (FEL) are nowadays unique intense coherent fs light sources used for multi-disciplinary investigations of matter. A new acceleration scheme such as Laser Plasma Accelerator (LPA) is now capable of producing an accelerating gradient of few GeV/cm far superior to that of conventional RF linacs. This PhD work has been conducted in the framework of R&D programs of the LUNEX5 (free electron Laser Using a New accelerator for the Exploitation of X-ray radiation of 5th generation) project of advanced and compact Free Electron laser demonstrator with pilot user applications. It comprises a 400 MeV superconducting linac for studies of advanced FEL schemes, high repetition rate operation (10 kHz), multi-FEL lines, a Laser Wake Field Accelerator (LWFA) for its qualification by a FEL application. The FEL lines comports enables advanced seeding in the 40-4 nm spectral range using high gain harmonic generation (HGHG) and echo-enabled harmonic generation (EEHG) with compact short period high field cryogenic undulators. The study of compact devices suitable for compact FEL applications is thus examined. One first aspect concerns the reduction of the Free Electron Laser gain medium (electrons in undulator) where shortening of the period is on the expense of the magnetic field leading to an intensity reduction at high harmonics. Compact cryogenic permanent magnet based undulators (CPMUs), where the magnet performance is increased at cryogenic temperature making them suitable for compact applications, are studied. Three CPMUs of period 18 mm have been built: two are installed at SOLEIL storage ring and one at COXINEL experiment. A second part of the work is developed in the frame of the R&D programs is the COXINEL experiment with an aim at demonstrating FEL amplification using an LPA source. The line enables to manipulate the properties of the produced electron beams (as energy spread, divergence, induced dispersion due) before being used for light source applications. The electron beam generated is highly divergent and requires a good handling at an early stage with strong quadrupoles, to be installed immediately after the electron generation source. Hence, the development of the so-called QUAPEVAs, innovative permanent magnet quadrupoles with high tunable gradient, is presented. The QUAPEVAs are optimized with RADIA code and characterized with three magnetic measurements. High tunable gradient is achieved while maintaining a rather good magnetic center excursion that allowed for beam pointing alignment compensation at COXINEL, where the beam is well-focused with zero dispersion at any location along the line. The QUAPEVAs constitute original systems in the landscape of variable high gradient quadrupoles developed so far. A third part of the work concerns the observation of tunable monochromatic undulator radiation on the COXINEL line. The electron beam of energy of 170 MeV is transported and focused in a 2-m long CPMU with a period of 18 mm emitting radiation light at 200 nm. The spectral flux is characterized using a UV spectrometer and the angular flux is captured by a CCD camera. The wavelength is tuned with the undulator gap variation. The spatio-spectral moon shape type pattern of the undulator radiation provided an insight on the electron beam quality and its transport enabling the estimation of the electron beam parameters such as energy spread and divergence. The final aspect of the work is related to the comparison between the echo and high gain harmonic generation, in the frame of my participation to an experiment carried out at FERMI@ELETTRA. At FERMI, we have demonstrated a high gain lasing using EEHG at a wavelength of 5.9 nm where it showed a narrower spectra and better reproducibility compared to a two-stage HGHG. This PhD work constitutes a step forward towards advanced compact Free Electron Lasers

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Déchard, Jérémy. "Sources térahertz produites par des impulsions laser ultra-intenses." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019SACLS358/document.

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Abstract:

Les impulsions laser femtosecondes produisent des phénomènes non linéaires extrêmes dans la matière, conduisant à une forte émission de rayonnement secondaire qui couvre un domaine en fréquence allant du terahertz (THz) aux rayons X et gamma. De nombreuses applications utilisent la bande de fréquences terahertz (0.1-100 THz) afin de sonder la matière (spectroscopie, médecine, science des matériaux). Ce travail est dédié à l'étude théorique et numérique du rayonnement THz généré par interaction laser-plasma. Comparé aux techniques conventionnelles, ces impulsions laser permettent de créer des sources THz particulièrement énergétiques et à large bande. Notre objectif a donc été d'étudier ces régimes d'interaction relativiste, encore peu explorés, afin d'optimiser l'efficacité de conversion du laser vers les fréquences THz. L'étude de l'interaction laser-gaz en régime classique nous permet, d'abord, de valider un modèle de propagation unidirectionnelle prenant en compte la génération d'impulsion THz et de le comparer à la solution exacte des équations de Maxwell. Ensuite, en augmentant l'intensité laser au-delà du seuil relativiste, nous simulons à l'aide d'un code PIC une onde plasma non linéaire dans le sillage du laser, accélérant ainsi des électrons à plusieurs centaines de MeV. Nous montrons que le mécanisme standard des photocourrants est dominé par le rayonnement de transition cohérent induit par les électrons accélérés dans l'onde de sillage. La robustesse de ce rayonnement est ensuite observée grâce à une étude paramétrique faisant varier la densité du plasma sur plusieurs ordres de grandeur. Nous démontrons également la pertinence des grandes longueurs d'ondes laser qui sont à même de déclencher une forte pression d'ionisation, ce qui augmente la force pondéromotrice du laser. Enfin, les rayonnements THz émis à partir d'interactions laser-solide sont examinés dans le contexte de cibles ultra fine, mettant en lumière les différents processus impliqués Femtosecond laser pulses trigger extreme nonlinear events inmatter, leading to intense secondary radiations spanning the frequency rangesfrom terahertz (THz) to X and gamma-rays.This work is dedicated to the theoretical and numerical study of THz radiationgenerated by laser-driven plasmas. Despite the inherent difficulty in accessingthe THz spectral window (0.1-100 THz), many coming applications use theability of THz frequencies to probe matter (spectroscopy, medicine, materialscience). Laser-driven THz sources appear well-suited to provide simultaneouslyan energetic and broadband signal compared to other conventional devices. Ourgoal is to investigate previously little explored interaction regimes in orderto optimize the laser-to-THz conversion efficiency.Starting from classical interactions in gases, we validate a unidirectionalpropagation model accounting for THz pulse generation, which we compare to theexact solution of Maxwell's equations. We next increase the laser intensityabove the relativistic threshold in order to trigger a nonlinear plasma wave inthe laser wake, accelerating electrons to a few hundreds of MeV. We show thatthe standard photocurrent mechanisms is overtaken by coherent transitionradiation induced by wakefield-accelerated electron bunch. Next, successivestudies reveal the robustness of this latter process over a wide range of plasmaparameters. We also demonstrate the relevance of long laser wavelengths inaugmenting THz pulse generation through the ionization-induced pressure thatincreases the laser ponderomotive force. Finally, THz emission from laser-solidinteraction is examined in the context of ultra-thin targets, shedding light onthe different processes involved

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Cantono, Giada. "Relativistic Plasmonics for Ultra-Short Radiation Sources." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2017. http://www.theses.fr/2017SACLS353/document.

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Abstract:

La plasmonique étudie le couplage entre le rayonnement électromagnétique et les oscillations collectives des électrons dans un matériel. Les plasmons de surface (SPs), notamment, ont la capacité de concentrer le champ électromagnétique sur des distances micrométriques, ce qui les rend intéressants pour le développement des dispositifs photoniques les plus novateurs. 'Etendre l'excitation de SPs au régime de champs élevés, où les électrons oscillent à des vitesses relativistes, ouvre des perspectives stimulantes pour la manipulation de la lumière laser ultra-intense et le développement de sources de rayonnement énergétiques et à courte durée. En fait, l'excitation de modes résonnants du plasma est l'une des stratégies possibles pour transférer efficacement l'énergie d'une impulsion laser ultra-puissante à une cible solide, cela étant parmi les défis actuels dans la physique de l’interaction laser-matière à haute intensité. Dans le cadre de ces deux sujets, ce travail de thèse démontre la possibilité d'exciter de façon résonnante des plasmons de surface avec des impulsions laser ultra-intenses. Elle étudie comment ces ondes peuvent à la fois accélérer de paquets d'électrons relativistes le long de la surface de la cible mais aussi augmenter la génération d'harmoniques d'ordre élevé de la fréquence laser. Ces deux processus ont été caractérisés avec de nombreuses expériences et simulations numériques. En utilisant un schéma d’interaction standard de la plasmonique classique, les SPs sont excités sur des cibles dont la surface présente une modulation périodique régulière à l'échelle micrométrique (cibles réseau). Dans ce cas, les propriétés de l'émission d'électrons tout comme celles des harmoniques permettent d’envisager leur utilisation dans des application pratiques. En réussissant à dépasser les principaux problèmes conceptuels et techniques qui jusqu'au présent avaient empêché l'application d'effets plasmoniques dans le régime de champs élevés, ces résultats apportent un intérêt nouveau à l'exploration de la Plasmonique Relativiste Plasmonics studies how the electromagnetic radiation couples with the collective oscillations of the electrons within a medium. Surface plasmons (SPs), in particular, have a well-established role in the development of forefront photonic devices, as they allow for strong enhancement of the local EM field over sub-micrometric dimensions. Promoting the SP excitation to the high-field regime, where the electrons quiver at relativistic velocities, would open stimulating perspectives for the both the manipulation of ultra-intense laser light and the development of energetic, short radiation sources. Indeed, the excitation of resonant plasma modes is a possible strategy to efficiently deliver the energy of a high-power laser to a solid target, this being among the current challenges in the physics of highly-intense laser-matter interaction. Gathering these topics, this thesis demonstrates the opportunity of resonant surface plasmon excitation at ultra-high laser intensities by studying how such waves accelerate bunches of relativistic electrons along the target surface and how they enhance the generation of high-order harmonics of the laser frequency. Both these processes have been investigated with numerous experiments and extensive numerical simulations. Adopting a standard configuration from classical plasmonics, SPs are excited on solid, wavelength-scale grating targets. In their presence, both electron and harmonic emissions exhibit remarkable features that support the conception of practical applications. Putting aside some major technical and conceptual issues discouraging the applicability of plasmonic effects in the high-field regime, these results are expected to mark new promises to the exploration of Relativistic Plasmonics

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Wang, Ke. "Design study of a Laser Plasma Wakefield Accelerator with an externally injected 10-MeV electron beam coming from a photoinjector." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019SACLS179/document.

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Abstract:

Nous étudions l’accélération d’un faisceau d’électrons provenant d’un photoinjecteur RF lorsque celui-ci est injecté dans le champ électrique à très fort gradient crée par un laser de forte puissance dans un plasma. Dans cette thèse la configuration d’une telle expérience est étudiée et des simulations du début à la fin sont présentées. Étant donné qu’un faisceau ultra-court d’électrons (quelques femto secondes) est nécessaire pour atteindre une faible dispersion en énergie dans le plasma, le faisceau d’électrons de 10 MeV provenant du photoinjecteur est comprimé en deux étapes. Le premier étage utilise une chicane coudée qui comprime le paquet d’électrons jusqu’à une durée de 69 fs, puis un deuxième étage qui utilise la méthode de regroupement par différence de célérité dans le plasma et qui comprime le paquet jusqu’à 4 fs avant qu’il ne soit accéléré. Le paquet d’électrons est comprimé transversalement avant d’être injecté dans le plasma. Le paquet d’électrons est focalisé transversalement avant d’être injecté dans le plasma. Une longue cellule plasma est utilisée pour créer le plasma en commençant plusieurs longueurs de Rayleigh avant le plan focal du laser, ce qui permet un regroupement par différence de célérité dans la première partie du plasma avec des contraintes relâchées sur la taille transverse du paquet d’électrons. La cellule plasma s’étend plusieurs longueurs de Rayleigh après le plan focal du laser pour supprimer la divergence angulaire du paquet d’électrons. Nous démontrons que le paquet d’électrons à la sortie du plasma a une énergie de plus d’une centaine de MeV avec une émittance plus petite que 1 µm, une charge plus grande que 7pC et une dispersion en énergie plus petite que 1,5% (largeur à mi-hauteur). Pour étendre la longueur d’accélération nous avons étudié le guidage du laser par un capillaire diélectrique creux et les résultats montrent que même dans le cas optimal le profile Gaussien usuel d’un laser n’est pas optimal, principalement à cause de la diffraction du laser sur les bords à l’entrée du capillaire. Un profile Gaussien aplatit est donc suggéré pour supprimer cette diffraction et il est montré que dans ce cas les électrons peuvent être accélérés sur plus de 10 longueurs de Rayleigh The acceleration of an externally injected 10MeV electron bunch coming from a RF photoinjector in a high gradient electric ﬁeld excited in a plasma by a high power laser is studied. In this thesis, the conﬁguration of such an experiment is studied and start to end simulations are presented. As an ultrashort electron bunch (several femtoseconds) is required to maintain a low energy spread beam in the plasma, the 10MeV electron bunch coming from the photoinjector is compressed in two stages. The ﬁrst stage is realized using a dogleg chicane which compresses the electron bunch to 69fs, the second stage is realized with velocity bunching in the plasma that further compresses the electron bunch to 3fs before eﬃcient acceleration. The electron bunch is transversely focused with a solenoid before being injected into the plasma. A long cell is used to create a plasma starting several Rayleigh lengths before the laser focal plane, allowing the velocity bunching in the ﬁrst part of the plasma and relaxing constraints on the transverse bunch size. The cell extends several Rayleigh lengths after the laser focal plane to suppress the angular divergence of the electron bunch. We demonstrate that the electron bunch at the exit of the plasma has an energy of more than one hundred MeV, with an emittance smaller than 1 µm, a charge greater than 7pC and a FWHM energy spread smaller than 1.5%. To extend the acceleration section, the guiding of the laser beam with a hollow dielectric capillary is studied, the results show that even in the best matching conditions, the usual laser Gaussian transverse proﬁle is not optimum, mainly because of the diﬀraction of the laser on the edges at the entrance of the capillary, a ﬂattened Gaussian laser proﬁle is then suggested to suppress this diﬀraction and the electrons can be accelerated over more than ten Rayleigh lengths

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Pommarel, Loann. "Transport and control of a laser-accelerated proton beam for application to radiobiology." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2017. http://www.theses.fr/2017SACLX001/document.

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L’accélération de particules par interaction laser-plasma est une alternative prometteuse aux accélérateurs conventionnels qui permettrait de rendre plus compactes les machines du futur dédiées à la protonthérapie. Des champs électriques extrêmes de l’ordre du TV/m sont créés en focalisant une impulsion laser ultra-intense sur une cible solide mince de quelques micromètres d’épaisseur, ce qui produit un faisceau de particules de haute énergie. Ce dernier contient des protons ayant une énergie allant jusqu’à la dizaine de mégaélectron-volts, et est caractérisé par une forte divergence angulaire et un spectre en énergie très étendu.Le but de cette thèse est de caractériser parfaitement un accélérateur laser-plasma afin de produire un faisceau de protons stable, satisfaisant les critères d'énergie, de charge et d'homogénéité de surface requis pour son utilisation en radiobiologie. La conception, la réalisation et l’implémentation d’un système magnétique, constitué d'aimants permanents quadripolaires ont été optimisés au préalable avec des simulations numériques. Ce système permet d’obtenir un faisceau de protons ayant un spectre en énergie qui à été mise en forme, et dont le profil est uniforme sur une surface de taille adaptée aux échantillons biologiques.Une dosimétrie absolue et en ligne a également été établie, permettant le contrôle de la dose délivrée en sortie. Pour cela, une chambre d'ionisation à transmission, précédemment calibrée sur un accélérateur à usage médical de type cyclotron, a été mise en place sur le trajet du faisceau de protons. Des simulations Monte Carlo ont ensuite permis de calculer la dose déposée dans les échantillons. Ce système compact autorise maintenant de définir un protocole expérimental rigoureux pour la poursuite d’expériences in vitro de radiobiologie. De premières irradiations de cellules cancéreuses ont été ainsi réalisées in vitro, ouvrant la voie à l’exploration des effets de rayonnements ionisants pulsés à haut débit de dose sur les cellules vivantes Particle acceleration by laser-plasma interaction is a promising alternative to conventional accelerators that could make future devices dedicated to protontherapy more compact. Extreme electric fields in the order of TV/m are created when an ultra-intense laser pulse is focused on a thin solid target with a thickness of a few micrometers, which generates a beam of highly energetic particles. The latter includes protons with energies up to about ten megaelectron-volts and characterised by a wide angular divergence and a broad energy spectrum.The goal of this thesis is to fully characterise a laser-based accelerator in order to produce a stable proton beam meeting the energy, charge and surface homogeneity requirements for radiobiological experiments. The design, realisation and implementation of a magnetic system made of permanent magnet quadrupoles were optimised beforehand through numerical simulations. It enables to obtain a beam with a shaped energy spectrum and with a uniform profile over a surface with a size adapted to the biological samples.Deferred and online dosimetry was setup to monitor the delivered output dose. For that purpose, a transmission ionisation chamber, previously calibrated absolutely on a medical proton accelerator, was used. Monte Carlo simulations enabled to compute the dose deposited into the samples. This compact system allows now to define a rigorous experimental protocol for in vitro radiobiological experiments. First experiments of cancer cell irradiation have been carried out, paving the way for the exploration of the effects of pulsed ionizing radiations at extremely high dose rates on living cells

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Gustas, Dominykas. "High-repetition-rate relativistic electron acceleration in plasma wakefields driven by few-cycle laser pulses." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2018. http://www.theses.fr/2018SACLX118/document.

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Abstract:

Le progrès continu de la technologie laser a récemment permis l’avancement spectaculaire d’accélérateurs de particules par onde de sillage. Cette technique permet la génération de champs électriques très forts, pouvant dépasser de trois ordres de grandeurs ceux présents dans les accélérateurs conventionnels. L’accélération résultante a lieu sur une distance très courte, par conséquent les effets de la charge d’espace et de la dispersion de vitesse sont considérablement réduits. Les paquets de particules ainsi générés peuvent alors atteindre des durées de l’ordre de la femtoseconde, qui en fait un outil prometteur pour la réalisation d’expériences de diffraction ultra-rapide avec une résolution inégalée de l’ordre de quelques femtosecondes. La génération de tels paquets d’électrons avec des lasers de 1 J et d’une durée de 30 fs est à présent bien établie. Ces paramètres permettent de produire des faisceaux d’électrons de quelques centaines de MeV, et sont donc inadaptés aux expériences de diffraction. De plus, le taux de répétition de ces lasers de haute puissance est limité à quelques Hz, ce qui est insuffisant pour des expériences exigeant une bonne statistique de mesure. Notre groupe a utilisé un laser de pointe développé au laboratoire par le groupe PCO générant des impulsions de quelques millijoules, d’une durée de 3.4 fs - à peine 1.3 cycle optique - à une cadence de 1 kHz, pour accélérer des électrons par onde de sillage. Ce travail de thèse présente d’une part la première démonstration d’un accélérateur des particules relativistes opéré dans le régime de la bulle à haute cadence. L’utilisation de buses microscopiques a permis l’obtention de charges de dizaines de pC par tir. De plus, cette thèse vise à l’élargissement de notre compréhension des lois d’échelle d’accélération laser-plasma. Nous espérons que notre travail visant à la fiabilisation et l’optimisation de cette source permettra à terme de proposer un instrument accessible et fiable à la communauté scientifique, que ce soit pour la diffraction d’électrons, l’irradiation ultra-brève d’échantillons ou la génération de rayons X Continuing progress in laser technology has enabled dramatic advances in laser wakefield acceleration (LWFA), a technique that permits driving particles by electric fields three orders of magnitude higher than in conventional radio-frequency accelerators. Due to significantly reduced space charge and velocity dispersion effects, the resultant relativistic electron bunches have also been identified as a candidate tool to achieve unprecedented sub-10 fs temporal resolution in ultrafast electron diffraction (UED) experiments. High repetition rate operation is desirable to improve data collection statistics and thus washout shot-to-shot charge fluctuations inherent to plasma accelerators. It is well known that high-quality electron beams can be achieved in the blowout, or "bubble" regime, which is at present regularly accessed with ≈ 30 fs Joule-class lasers that can perform up to few shots per second. Our group on the contraryutilized a cutting edge laser system producing few-mJ pulses compressed nearly to a single optical cycle (3.4 fs) to demonstrate for the first time an MeV-grade particle accelerator with properties characteristic to the blowout regime operating at 1 kHz repetition rate. We further investigate the plasma density profile and exact laser pulse waveform effects on the source output, and show that using special gas microjets a charge of tens of pC/shot can be achieved. We expect this technique to lead to a generation of highly accessible and robust instruments for the scientific community to conduct UED experiments or to be used for other applications. This work also serves to expand our knowledge on the scalability of laser-plasma acceleration

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Moreau, Julien. "Interaction d’une impulsion laser intense avec un plasma sous dense dans le régime relativiste." Thesis, Bordeaux, 2018. http://www.theses.fr/2018BORD0042/document.

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Abstract:

De part ses nombreuses applications scientifiques et sociétales comme la radiographie protonique ou encore la protonthérapie, l’accélération d’ions par laser suscite un grand intérêt. Cette thèse s’inscrit dans ce cadre et présente une étude de l’interaction d’une impulsion laser d’intensité relativiste avec un plasma de densité modérée. Dans ce régime, le plasma est transparent à l’onde laser et les électrons oscillent à des vitesses relativistes dans le champ de l’onde incidente. Ces conditions sont favorables à un transfert efficace de l’énergie laser vers le plasma, et donc sont intéressantes pour l’accélération d’ions par laser. Ce régime permet également la création de solitons électromagnétiques et acoustiques dont les mécanismes de formation et les propriétés nécessitent une meilleur compréhension. Nous réalisons une étude détaillée de simulations Particle-In-Cell (réalisées avec le code OCEAN) de l’interaction d’une impulsion laser intense avec un plasma sous dense. Nous montrons que la diffusion Raman stimulée (SRS) dans le régime relativiste est le principal processus responsable de l’absorption de l’énergie laser par le plasma et qu’il est, en outre, très efficace puisqu’il permet de transférer près de 70 % de l’énergie de l’impulsion laser aux électrons. Cette instabilité apparaît dans des plasmas dont la densité est nettement supérieure à la densité quart-critique du fait de la diminution de la fréquence plasma électronique et se développe sur des temps très courts. Il permet ainsi un chauffage homogène des électrons tout le long de la propagation de l’impulsion laser à travers le plasma. Ces électrons participent à la détente du plasma, et créent sur ses bords raids un champ électrostatique permettant l’accélération des ions. Ces derniers gagnent 30 % de l’énergie laser initiale. Nous avons aussi développé un modèle simple qui permet de prédire et donc d’optimiser le taux de rétro-diffusion du plasma du fait du développement de l’instabilité SRS. Nous nous intéressons également à la séquence des processus permettant la formation des cavités électromagnétiques. Cette analyse souligne le rôle joué par l’instabilité modulationnelle ou de Benjamin-Feir sur le front de l’impulsion laser qui est divisée en un train de plusieurs solitons électromagnétiques. À l’aide d’une étude détaillée, nous montrons que ces solitons excitent des ondes plasmas dans leur sillage en se propageant dans le plasma, perdent de l’énergie et finissent par être piégés. Ils forment également des dépressions (cavités) des densités électroniques et ioniques du plasma. Ces cavités sont des pièges pour les champs électromagnétiques rayonnés par le plasma (par exemple du fait de l’instabilité SRS) et survivent grâce à un équilibre entre la pression de radiation des champs piégés et les pressions cinétiques électroniques à leurs bords. Ces cavités absorbent une part importante de l’énergie laser mais elles n’en conservent qu’une partie sous forme d’énergie électromagnétique piégée. Le reste de l’énergie permet l’expansion de la cavité, la génération de solitons acoustiques supersoniques et l’accélération de particules The laser-accelerated ions draw an increasing interest due to their potential applications and to their unique properties. This manuscript presents a study of the interaction between a relativistic intense laser pulse and a low density plasma. In this regime, the plasma is transparent to the laser pulse and electrons oscillate with relativistic velocities in the field of the incident wave. These conditions make the transfer of the laser pulse energy to the plasma efficient, and therefore are interesting for the ion acceleration. This regime generates also electromagnetic and acoustic solitons whose formation mechanisms and properties need to be better understood. We carry out a detailed analysis of Particle-In-Cell simulations (performed with the code OCEAN) of interaction of an intense laser pulse with a low density plasma.We show that the stimulated Raman scattering (SRS) is the main mechanism responsible for the absorption of laser energy in plasma. This process is very efficient : it leads to the transfer of 70 % of the laser pulse energy to electrons. This instability occurs in plasmas with a density larger than the quarter critical one due to the decrease of the electron plasma frequency and develops in a very short time scale. It leads to an homogeneous electron heating all along the distance of propagation of the laser pulse through the plasma. The ions are efficiently accelerated at the plasma edges and can get nearly 30%of the initial laser energy. This study is accompanied by a simple analytical model which is able to predict and so optimize the laser backscattering fraction due to the development of the SRS instability. We also present a sequence of stages which lead to the formation of electromagnetic cavities. This analysis highlights the role of the modulationnal or Benjamin-Feir instability in the front of the laser pulse, which is split in a train of electromagnetic solitons. Our detailed study shows that these solitons excite plasmas waves in their wake, lose energy and are finally trapped in the plasma. They lead to the formation of density depressions (cavities) which may trap the electromagnetic fields produced in the plasma (by the SRS instability, for example). These structures may survive for a long time thanks to an equilibrium of the trapped field radiation pressure and the electronic kinetic pressure at their borders. These cavities absorb an significant part of the laser energy but only a part of it is trapped inside. The remaining part is invested in the cavity expansion, generation of acoustic solitons and acceleration of charged particles

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Ferri, Julien. "Étude des rayonnements Bétatron et Compton dans l'accélération d'électrons par sillage laser." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2016. http://www.theses.fr/2016SACLX094/document.

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Abstract:

Une impulsion laser ultra-courte et ultra-intense se propageant dans un gaz de faible densité est capable d'accélérer une partie des électrons de ce gaz à des énergies relativistes, de l'ordre de quelques centaines de MeV, sur des distances de seulement quelques millimètres. Pendant leur accélération et dû à leur mouvement transverse, ces électrons émettent de plus un rayonnement X fortement collimaté et dirigé vers l'avant appelé rayonnement bétatron. Les caractéristiques de cette source la rendent intéressante pour son utilisation en imagerie à ultra-haute résolution.Dans ce manuscrit, nous explorons trois axes de travail autour de cette source à l'aide de simulations réalisées avec les codes Particle-In-Cell CALDER et CALDER-Circ. Nous commençons ainsi par étudier la création d'une source bétatron avec des impulsions laser de durée picoseconde et d'énergie kilojoule, donc plus longues et plus puissantes que celles habituellement utilisées par la communauté. Nous montrons que malgré les paramètres inhabituels de ces impulsions lasers il est toujours possibles de générer des sources X, et ce dans deux régimes différents.Ensuite, afin de comprendre une partie des différences généralement observées entre expériences et simulations, nous montrons dans une autre étude que l'utilisation dans les simulations de profils lasers réalistes au lieu de profils parfaitement Gaussiens dégrade fortement les performances de l'accélérateur laser-plasma et de la source bétatron. De plus, ceci conduit à un meilleur accord qualitatif et quantitatif avec l'expérience.Enfin nous explorons plusieurs techniques pour augmenter l'émission X basées sur une manipulation des profils de plasmas utilisés pour l'accélération. Nous trouvons que l'utilisation d'un gradient transverse ou d'une marche de densité conduisent tous deux à une augmentation de l'amplitude du mouvement transverse des électrons, et donc de l'énergie émise par la source bétatron. Alternativement, nous montrons que cet objectif peut-être atteint par la transition d'un régime de sillage laser vers un régime d'accélération par sillage plasma induit par une augmentation de la densité. L'accélération des électrons est optimisée dans le premier régime, tandis que l'émission X est fortement favorisée dans le second An ultra-short and ultra-intense laser pulse propagating in a low-density gas can accelerate in its wake a part of the electrons ionized from the gas to relativistic energies of a few hundreds of MeV over distances of a few millimeters only. During their acceleration, as a consequence of their transverse motion, these electrons emit strongly collimated X-rays in the forward direction, which are called betatron radiations. The characteristics of this source turn it into an interesting tool for high-resolution imagery.In this thesis, we explore three different axis to work on this source using simulations on the Particles-In-Cells codes CALDER and CALDER-Circ. We first study the creation of a betatron X-ray source with kilojoule and picosecond laser pulses, for which duration and energy are then much higher than usual in this domain. In spite of the unusual laser parameters, we show that X-ray sources can still be generated, furthermore in two different regimes.In a second study, the generally observed discrepancies between experiments and simulations are investigated. We show that the use of realistic laser profiles instead of Gaussian ones in the simulations strongly degrades the performances of the laser-plasma accelerator and of the betatron source. Additionally, this leads to a better qualitative and quantitative agreement with the experiment.Finally, with the aim of improving the X-ray emission, we explore several techniques based on the manipulation of the plasma density profile used for acceleration. We find that both the use of a transverse gradient and of a density step increases the amplitude of the electrons transverse motions, and then increases the radiated energy. Alternatively, we show that this goal can also be achieved through the transition from a laser wakefield regime to a plasma wakefield regime induced by an increase of the density. The laser wakefield optimizes the electron acceleration whereas the plasma wakefield favours the X-ray emission

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Ju, Jinchuan. "Electron acceleration and betatron radiation driven by laser wakefield inside dielectric capillary tubes." Phd thesis, Université Paris Sud - Paris XI, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00861267.

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Abstract:

This dissertation addresses electron acceleration and the associated betatron X-ray radiation generated by laser wakefield inside dielectric capillary tubes. Focusing the state-of-the-art multi-terawatt laser pulses, high peak intensity, of the order of 1018 W/cm2, can be achieved in the focal plane, where a plasma bubble free of electron is formed just behind the laser. Owing to space charge separation ultrahigh electric fields, of the order of 100 GV/m, occur inside the plasma bubble, providing the possibility to accelerate electrons up to GeV-class over merely a centimetre-scale distance. Furthermore, ultra-short synchrotron-like X-ray radiation, known as betatron radiation, is produced simultaneously when the accelerated electrons are transversely wiggled by the radial electric field inside the plasma bubble. This thesis reports experimental results on the generation and optimization of electron and X-ray beams, particularly when a capillary tube is used to collect the energy of laser halos in the focal plane to facilitate the laser keeping self-focused over a long distance. Employing the 40 fs, 16 TW Ti:sapphire laser at the Lund Laser Centre (LLC) in Sweden, either peaked or widely-spread accelerated electron spectra with a typical beam charge of tens of pC were measured with a maximum energy up to 300 MeV in 10 mm long capillary tubes. Meanwhile, betatron X-ray radiation consisting of 1-10 keV photons was measured with a peak brightness of the order of 1021 photons/s/mm2/mrad2/0.1%BW, which is around 30 times higher than that in the case of a 2 mm gas jet without external optical guiding. When the laser pointing fluctuation is compensated, exceptionally reproducible electron beams are obtained with fluctuations of only 1 mrad RMS in beam pointing, a few percent in electron energy, and around 20% RMS in beam charge. The relatively large instability of beam charge is found to be essentially correlated to laser power fluctuation. Moreover, betatron radiation is able to provide the diagnostics about electron acceleration process and average number of betatron oscillations fulfilled by electrons inside the plasma bubble. The typical X-ray source size (waist of Gaussian distribution at 1/e2 intensity) is quantified to be ~2.5 μm using Fresnel diffraction induced by a razor blade, which furthermore yields the corresponding normalized RMS emittance of electron beam 0.83π mm mrad. Three dimensional particle-in-cell (PIC) modelings are in good agreement with the experimental findings. The PIC simulations also reveal the generated electron bunches (or X-ray bursts) have pulse durations as short as 10 fs.

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Carrier-Vallieres, Simon. "Towards reliable, intense and high repetition-rate laser-driven ion beamlines." Thesis, Bordeaux, 2020. http://www.theses.fr/2020BORD0224.

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Abstract:

Les accélérateurs de particules attirent beaucoup d’attention en raison de leur nombreuses applications dans des domaines allant des sciences fondamentales, à la médecine jusqu’aux applications industrielles. Ces travaux de doctorat se situent au premier plan du développement des sources d’ions générées par laser, afin de les rendre plus compétitives face aux accélérateurs conventionnels. Pour ce faire, les sources d’ions obtenues par laser doivent être compactes, efficaces par rapport aux coûts, fiables, intenses et opérées à des taux de répétition élevés. L’effort général de ces travaux de doctorat vise à pousser leur performance sur trois fronts, soit l’alignement précis des cibles, l’amélioration des cibles à l’aide de nanostructures ainsi que le développement de détecteurs de particules efficients. Cette quête d’efficacité accrue a requis des travaux autant numériques, par l’utilisation de Calcul de haute performance, qu’expérimentaux, par le montage d’une ligne d’accélération d’ions de pointe sur les installations de l’Advanced Laser Light Source (ALLS) 100 TW ainsi qu’en effectuant plusieurs campagnes expérimentales à l’étranger.Les travaux visent d’abord à augmenter la fiabilité des faisceaux d’ions par le positionnement précis des cibles solides utilisées en accélération d’ions par laser. Pour ce faire, un interféromètre de positionnement des cibles (Target Positioning Interferometer, TPI), atteignant une précision d’alignement sous-micrométrique, a été développé. Le design novateur du TPI est un interféromètre de Michelson modifié dans lequel nous avons introduit une lentille convergente asphérique dans le bras de la cible, afin de le transformer en un système de positionnement absolu ayant un unique point d’inambiguïté dans l’espace. La fine capacité d’alignement du TPI est atteinte également avec l’aide d’un algorithme numérique d’analyse des franges d’interférences qui maximise l’extraction de signaux à grand rapport signal-sur-bruit, effectuée dans une fenêtre de temps optimisée.La deuxième partie des travaux concerne le rehaussement du mécanisme d’accélération, permettant de générer de plus grandes quantités d’ions à des plus hautes énergies cinétiques, menant à des faisceaux d’ions plus intenses. Les cibles solides typiquement utilisées sont des feuilles métalliques minces, limitant l’efficacité de conversion d’énergie du laser aux ions à quelques pourcents tout au plus. Une façon d’augmenter cette efficacité de conversion est en nanostructurant la surface des cibles afin d’emprisonner l’onde incidente, augmentant ainsi le transfert d’énergie aux ions. Nous avons démontré, de façon théorique et expérimentale, qu’un ajustement optimal des paramètres géométriques des nanostructures, en particulier avec des nanosphères et des nanofils, mène à une augmentation du nombre d’ions et de leur énergies cinétiques de plusieurs fois les valeurs obtenues avec le même pulse laser incident sur une cible plane faite du même matériau.Dans la dernière partie, les travaux sont orientés sur le développement de détecteurs de particules efficients afin d’être implémentés sur les lignes d’accélération d’ions à haut taux de répétition. Une calibration en nombre absolu des nouveaux films radiochromiques EBT-XD a d’abord été effectuée. Il a été observé que les EBT-XD offrent une plus grande plage de mesure de dose ainsi qu’un seuil minimum d’énergie de détection plus élevé que leur homologue EBT3, étant donc mieux adaptés pour les lignes d’ions plus intenses. Nous avons également mesuré une sévère inhibition de la réponse des EBT-XD lorsque le pic de Bragg de la particule mesurée tombe directement dans la couche active des films, causant des erreurs importantes dans l’estimation du nombre de particules. Finalement, nous avons implémenté, sur la ligne d’accélération d’ions d’ALLS 100 TW, un système de détecteurs de particules calibrés en croisés incluant un spectromètre à parabole Thomson (TP) ainsi que deux en temps de vol Particle accelerators attract a lot of attention in the scientific and non-scientific community as a result of their wide applicability in fields ranging from fundamental sciences, medicine to industrial applications. This doctoral work stands at the forefront of laser-based ion accelerators, and pushes forward their development to make them more competitive ion sources compared to conventional particle accelerators. For achieving higher competitiveness, laser-driven ion sources must be compact, cost-effective, reliable, intense and operated at high repetition-rates, which all together yield ion beam characteristics that cannot be realistically matched by any other kind of ion accelerator. To do so, the general effort of this doctoral work tackled three different aspects of laser-based ion acceleration, namely precise target alignment, improved targetry using nanostructures and the development of efficient particle diagnostics. The endeavor required to perform equivalent amounts of numerical work, through simulations using High Performance Computing, as well as experimental work, by implementing a cutting-edge ion beamline at the Advanced Laser Light Source (ALLS) 100 TW facility and to carry out several experimental campaigns abroad.The first part of the work aims at improving the reliability of ion beams through the precise positioning of solid targets used in laser-driven ion acceleration. For this purpose, a Target Positioning Interferometer (TPI) that reaches subwavelength positioning precision was developed. The TPI’s novel design is a modified Michelson interferometer that incorporates an aspherical converging lens in the target arm to transform it from a relative to an absolute positioning device, having a single unambiguity point in space. The high positioning accuracy is also achieved by a numerical fringe analysis algorithm that maximizes the extraction of signals with high signal-to-noise ratio, in an optimized timeframe. The development of a fast algorithm is crucial to make the TPI a viable solution for its implementation in a laser-based ion accelerator.The second part of the work is focused on enhancing the acceleration mechanism to generate higher ion numbers and kinetic energies, leading to more intense ion bunches. The solid targets used are typically flat metallic targets which allow for less than 10% of laser energy absorption, thereby limiting the laser-to-ion conversion efficiency to a few percent. A way to increase this conversion efficiency is by using target surface nanostructuration to trap the incoming laser pulse, ultimately leading to a greater energy transfer to the ions. We have shown, both theoretically and experimentally, that a careful optimization of a nanostructure’s geometrical parameters, in particular for nanospheres and nanowires, leads to multiple-fold enhancements of ion numbers and kinetic energies, compared to the use of the same laser pulse incident on flat targets of the same material.The final part of the work is dedicated to the development of efficient particle diagnostics suitable for being implemented on high repetition-rate laser-based ion beamlines. We first performed the absolute number calibration of the new EBT-XD type of radiochromic films (RCF). The EBT-XD exhibit larger dose detection range and higher minimum energy threshold compared to their EBT3 counterpart, hence more suitable for intense ion beamlines. A severe response quenching was remarked when the Bragg peak of the measured particle falls directly within the active layer of the RCF, causing significant particle number misestimation errors. Finally, we have developed a Thomson Parabola (TP) and Time-of-Flight cross-calibrated set of particle diagnostics that were incorporated on the ALLS 100 TW ion beamline. The TP spectrometer uses a microchannel plate (MCP) detector that was calibrated from single proton impacts to reconstruct the response function of the MCP detection system

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Doche, Antoine. "Particle acceleration with beam driven wakefield." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2018. http://www.theses.fr/2018SACLX023/document.

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Abstract:

Les accélérateurs par onde de sillage plasma produites par faisceaux de particules (PWFA) ou par faisceaux laser (LWFA) appartiennent à un nouveau type d’accélérateurs de particules particulièrement prometteur. Ils permettent d’exploiter des champs accélérateurs jusqu’à cent Gigaélectronvolt par mètre alors que les dispositifs conventionnels se limitent à cent Megaélectronvolt par mètre. Dans le schéma d’accélération par onde de sillage plasma, ou par onde de sillage laser, un faisceau de particules ou une impulsion laser se propage dans un plasma et créé une structure accélératrice dans son sillage : c’est une onde de densité électronique à laquelle sont associés des champs électromagnétiques dans le plasma. L’un des principaux résultats de cette thèse a été la démonstration de l’accélération par onde de sillage plasma d’un paquet distinct de positrons. Dans le schéma utilisé, un plasma de Lithium était créé dans un four, et une onde plasma était excitée par un premier paquet de positrons (le drive ou faisceau excitateur) et l’énergie était extraite par un second faisceau (le trailing ou faisceau témoin). Un champ accélérateur de 1,36 GeV/m a ainsi été obtenu durant l’expérience, pour une charge accélérée typique de 40 pC. Nous montrons également ici la possibilité d’utiliser différents régimes d’accélération qui semblent très prometteurs. Par ailleurs, l’accélération de particule par sillage laser permet quant à elle, en partant d’une impulsion laser femtoseconde de produire un faisceau d’électron quasi-monoénergétique d’énergie typique de l’ordre de 200 MeV. Nous présentons les résultats d’une campagne expérimentale d’association de ce schéma d’accélération par sillage laser avec un schéma d’accélération par sillage plasma. Au cours de cette expérience un faisceau d’électrons créé par laser est refocalisé lors d’une interaction dans un second plasma. Une étude des phénomènes associés à cette plateforme hybride LWFA-PWFA est également présentée. Enfin, le schéma hybride LWFA-PWFA est prometteur pour optimiser l’émission de rayonnement X par les électrons du faisceau de particule crée dans l’étage LWFA de la plateforme. Nous présentons dans un dernier temps la première réalisation expérimentale d’un tel schéma et ses résultats prometteurs Plasma wakefield accelerators (PWFA) or laser wakefield accelerators (LWFA) are new technologies of particle accelerators that are particularly promising, as they can provide accelerating fields of hundreds of Gigaelectronvolts per meter while conventional facilities are limited to hundreds of Megaelectronvolts per meter. In the Plasma Wakefield Acceleration scheme (PWFA) and the Laser Wakefield Acceleration scheme (LWFA), a bunch of particles or a laser pulse propagates in a gas, creating an accelerating structure in its wake: an electron density wake associated to electromagnetic fields in the plasma. The main achievement of this thesis is the very first demonstration and experimental study in 2016 of the Plasma Wakefield Acceleration of a distinct positron bunch. In the scheme considered in the experiment, a lithium plasma was created in an oven, and a plasma density wave was excited inside it by a first bunch of positrons (the drive bunch) while the energy deposited in the plasma was extracted by a second bunch (the trailing bunch). An accelerating field of 1.36 GeV/m was reached during the experiment, for a typical accelerated charge of 40 pC. In the present manuscript is also reported the feasibility of several regimes of acceleration, which opens promising prospects for plasma wakefield accelerator staging and future colliders. Furthermore, this thesis also reports the progresses made regarding a new scheme: the use of a LWFA-produced electron beam to drive plasma waves in a gas jet. In this second experimental study, an electron beam created by laser-plasma interaction is refocused by particle bunch-plasma interaction in a second gas jet. A study of the physical phenomena associated to this hybrid LWFA-PWFA platform is reported. Last, the hybrid LWFA-PWFA scheme is also promising in order to enhance the X-ray emission by the LWFA electron beam produced in the first stage of the platform. In the last chapter of this thesis is reported the first experimental realization of this last scheme, and its promising results are discussed

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Plaisir, Cyril. "Etudes expérimentales de l'accélération de particules avec des lasers ultra-intenses : applications à des expériences de physique nucléaire dans les plasmas lasers." Phd thesis, Bordeaux 1, 2010. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00658936.

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Abstract:

Les lasers de puissance permettent depuis une dizaine d'années de produire des faisceaux de particules accélérées dans lesquels quelques 1012 électrons, protons sont accélérés en quelques ps. Nous avons simulé et développé des diagnostiques, utilisant l'activation nucléaire, pour qualifier les distributions angulaire et en énergie des faisceaux de particules générés. Les techniques de caractérisation sont présentées et illustrées à l'aide des résultats obtenus dans différentes expériences réalisées auprès des lasers de puissance. Nous envisageons d'utiliser ces faisceaux pour exciter des états nucléaires dans des environnements plasma. Celui-ci peut en effet influencer des caractéristiques intrinsèques du noyau comme la durée de vie de certains états isomériques. Dans le cadre de la préparation de telles expériences, nous avons mesuré la section efficace de la réaction (g,n) permettant de produire l'état isomérique du 84Rb à 463 keV d'énergie d'excitation, à l'aide de l'accélérateur ELSA du CEA/DIF de Bruyères-le-Châtel.

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Psikal, Jan. "Ion acceleration in small-size targets by ultra-intense short laser pulses (simulation and theory)." Thesis, Bordeaux 1, 2009. http://www.theses.fr/2009BOR13941/document.

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Abstract:

Cette thèse a pour but l'étude de l’interaction des impulsions laser brèves et ultra-intenses avec des cibles de petite taille. Nous nous intéressons surtout des phénomènes liés à l’accélération des ions aux granges énergies. L'outil principal de cette étude est notre code Particle-in-Cell (PIC) bidimensionnel, qui est capable d'effectuer le calcul du mouvement des particules et de l'évolution des champs en régime relativiste et sans collisions. Ce mémoire présente la théorie de l’accélération d’ions par laser, les simulations numériques des différents régimes d'accélération, ainsi que les algorithmes mis en œuvre dans notre code. Les nouveaux résultats obtenus dans le cadre de cette thèse concernent trois cas principaux: 1) l’interaction des impulsions laser intenses avec des cibles de la masse limitée; 2) l’accélération des protons par laser dans des gouttelettes fines d’eau vaporisé; 3) le transport latéral des électrons chauds dans une feuille mince et son effet sur l’accélération d’ions. Nos études théoriques et les simulations numériques sont appliquées pour l'interprétation des résultats des deux expériences récentes réalisées par les équipes de recherche en Allemagne et en France. Ces expériences montrent une accélération efficace d’ions dans les conditions prévues dans nos travaux théoriques. Le spectre énergétique et le nombre des protons accélérés dans les feuilles minces de la surface limitée et dans les gouttelettes d’eau se comportent conformément aux nos prévisions. Le modèle théorique développé dans cette thèse considère l'accélération des ions en deux étapes. Le champ du laser n'interagit pas directement avec les ions du plasma du à sa masse très élevée. Par contre, les électrons chauds, générés pendant l’interaction de l'impulsion laser avec une cible, produisent les champs électrostatiques importants qui accélèrent les ions aux hautes énergies. Ces champs peuvent être amplifiés si la masse de la cible est suffisamment petite. Nous considérons que la cible a une masse limitée, si toutes ses dimensions sont comparables avec la taille du faisceau laser dans la zone d'interaction. Ces cibles permettent de réduire la dispersion des électrons chauds, et donc d'améliorer la transformation de l'énergie cinétique d'électrons dans l’´energie des ions. Nos simulations numériques indiquent que la taille de cible transverse optimale est égale au diamètre du faisceau laser. Les expériences récentes avec des feuilles minces de la surface limitée ont confirmé que la transformation de l’énergie laser `a l’énergie des ions est plus efficace, l’énergie des ions est plus élevée, et la divergence du faisceau d’ions diminue avec la diminution de la surface de feuille. La physique de l’interaction d'un faisceau laser avec les gouttelettes d’eau est plus complexe, car il faut prendre en compte plusieurs facteurs tels que l'ionisation inhomogène des atomes de la gouttelette et la recombinaison, sa position dans le focus de laser, les collisions des électrons etc. Nous avons modélisé l’interaction de l’impulsion laser avec une gouttelette de diamètre de 100 nm. Dans un petit agrégat des atomes irradié par laser, les électrons sont expulsés par la force pondéromotrice et, pas conséquent, les ions sont accélérés par la force de Coulomb. Nous avons réussi d'expliquer la formation d'un pic dans la fonction de distribution des protons en énergie par l'effet de la répulsion mutuelle entre deux espèces des ions. Finalement, nous avons étudié le transport latéral des électrons dans le cas de l'incidence rasante du faisceau laser sur la cible mince plaine. Avec une série des simulations nous avons démontré qui le transport des électrons accélérés est réalisé par deux mécanismes complémentaires: par le guidage des électrons chauds sur la surface d’avant de la feuille par les champs quasi statiques électrique et magnétique et par la recirculation des électrons entre les faces l'arrière et l'avant de la cible The presented thesis is based on a theoretical study of the interaction of femtosecond laser pulses with small-size targets and related phenomena, mainly acceleration of ions. We have employed our relativistic collisionless two-dimensional particle-in-cell code to describe the interaction and subsequent ion acceleration. The theory of ion acceleration and related physics (for example, electron heating mechanisms) have been reviewed as well as computational algorithms used in our simulation code. In the thesis, our obtained results are organized into three main parts: 1) interaction of an intense laser pulse with mass-limited targets; 2) laser proton acceleration in a water spray target; 3) lateral hot electron transport and ion acceleration in thin foils. Our theoretical and numerical studies are accompanied with recent experimental results obtained by cooperating research groups on enhanced ion acceleration in thin foils of reduced surface and on proton acceleration in a cloud of water microdroplets. Since the field of nowadays operating lasers is not sufficient to accelerate directly ions to high energies due to their at least 1000 times larger mass-to-charge ratio compared with electrons, the ion acceleration is mediated by hot electrons creating strong electrostatic fields (a population of electrons heated by the laser wave) in targets of sizes higher or comparable with the laser wavelength or by Coulomb force between ions after electron expulsion in small clusters. Due to reduced target dimensions, the mass-limited targets, defined as the targets having all dimensions comparable with the laser spot size, limit the spread of hot electrons and, thus, the electron kinetic energy is transferred to ions more efficiently. We found via 2D PIC simulations that the optimum transverse target size is about the laser beam diameter. The enhancement of proton energy, laser-to-proton conversion efficiency, and narrower ion angular spread have been observed in recent experiments with thin foil sections and have confirmed our previous theoretical studies. The physics of the laser pulse interaction with water spray is rather complex and includes many phenomena (microdroplet ablation by laser prepulse, inhomogeneous droplet ionization, laser focal spot position in the spray, recombination and collisional effects in the surrounding target material, etc.). We have carried out numerical simulations of the laser pulse interaction with a water microdroplet of diameter of 100 nm, which gives an insight into the physics of ion acceleration in the spray. One can observe a pronounced peak in the proton energy spectra at the cutoff energy, which was explained by mutual interaction between protons and oxygen ions. Finally, we have studied two mechanisms of lateral electron transport in a thin foil - the first is due to hot electron guiding along the foil front surface by generated quasi-static electric and magnetic fields, and the second is caused by the hot electron recirculation (reversing of the normal component of electron velocity when the electron propagating through the foil starts to escape into vacuum, while the transverse velocity is largely unaltered). We found that only a small number of electrons can be guided along the foil surface for large incidence angles (60° and more) of the laser beam on the foil surface, whereas the majority of electrons is laterally transported towards foil edges due to the recirculation through the thin foil. However, electrons guided along the surface can be accelerated to several times higher energy than the recirculating electrons, which enhances the energy of accelerated ions from foil edges

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Bernard, Denis. "Accélération de particules dans un plasma excité par un laser." Habilitation à diriger des recherches, Université Paris Sud - Paris XI, 2005. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00496451.

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Rabhi, Nesrine. "Charged particle diagnostics for PETAL, calibration of the detectors and development of the demonstrator." Thesis, Bordeaux, 2016. http://www.theses.fr/2016BORD0339/document.

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Abstract:

Afin de protéger leurs systèmes de détection de l'impulsion électromagnétique géante générée par l'interaction du laser PETAL avec sa cible, les diagnostics de PETAL seront équipés de détecteurs passifs. Pour les ensembles SEPAGE et SESAME, une combinaison d'Imaging Plates (IP) et de couches de protection de matériaux de grand numéro atomique sera utilisée, qui permettra: 1) d'assurer que la réponse des détecteurs sera indépendante de son environnement mécanique proche dans les diagnostics et donc homogène sur toute la détection, 2) de blinder les détecteurs contre les photons de haute énergie produits dans la cible de PETAL. Dans le travail présenté ici, nous avons réalisé des expériences d'étalonnage avec les IPs auprès d'installations générant des électrons, des protons ou des ions, dans le but de couvrir le domaine en énergie cinétique de la détection des particules chargées de PETAL, de 0.1 à 200 MeV. L'introduction a pour but de décrire les méthodes et outils utilisés au cours de cette étude. Le second chapitre présente les résultats de deux expériences réalisées avec des électrons dans le domaine d'énergie cinétique [5-180] MeV. Le troisième chapitre décrit une expérience et ses résultats avec les protons entre 80 et 200 MeV étaient envoyés sur nos détecteurs. Le quatrième chapitre est consacré à une expérience utilisant des protons et des ions entre1 et 22 MeV en énergie de protons et dont l'objectif était l'étude de détecteurs et le test du démonstrateur de SEPAGE. Nous avons utilisé GEANT4 pour l'analyse de nos données et prédire la réponse de nos détecteurs dans le domaine 0.1 à 1000 MeV In order to protect their detection against the giant electromagnetic pulse generated by the interaction of the PETAL laser with its target, PETAL diagnostics will be equipped with passive detectors. For SESAME and SEPAGE systems, a combination of imaging plate (IP) detectors with high-Z material protection layers will be used to provide additional features such as: 1) Ensuring a response of the detector to be independent of its environment and hence homogeneous over the surface of the diagnostics; 2) Shielding the detectors against high-energy photons from the PETAL target. In this work, calibration experiments of such detectors based on IPs were performed at electron and proton facilities with the goal of covering the energy range of the particle detection at PETAL from 0.1 to 200 MeV. The introduction aims at providing the reader the methods and tools used for this study. The second chapter presents the results of two experiments performed with electrons in the range from 5 to 180 MeV. The third chapter describes an experiment and its results, where protons in the energy range between 80 and 200 MeV were sent onto detectors. The fourth chapter is dedicated to an experiment with protons and ions in the energy range from 1 to 22 MeV proton energy, which aimed at studying our detector responses and testing the demonstrator of the SEPAGE diagnostic. We used the GEANT4 toolkit to analyse our data and compute the detection responses on the whole energy range from 0.1 to 1000 MeV

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Lehe, Rémi. "Improvement of laser-wakefield accelerators: towards a compact free electron laser." Palaiseau, Ecole polytechnique, 2014. https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01088398/document.

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Abstract:

Lorsque l'on focalise une impulsion laser courte et intense dans un gazsous-dense, celle-ci peut accélérer une fraction des électrons du gaz,et ainsi générer un faisceau d'électrons ayant une énergie de quelquescentaines de MeV. Ce phénomène, connu sous le nom d'accélérationlaser-plasma, pourrait avoir de nombreuses applications,notamment pour la réalisation de sources de rayons Xultra-intenses appelées lasers à électrons libres (LEL). Cependant,ces applications nécessitent que le faisceau d'électrons ait uneexcellente qualité (faible divergence, faible émittance et faible dispersion en énergie). Au cours de cette thèse, différentes solutions ont été développéesafin d'améliorer la qualité des faisceaux d'électrons issus del'accélération laser-plasma. Ce travail est effectué à travers desmodèles analytiques ainsi que dessimulations Particle-In-Cell (PIC). Nous commençons cependant par montrer que les simulations PIC onttendance à surestimer l'émittance du faisceau, en raison de l'effetCherenkov numérique. Afin d'estimer correctement l'émittance ici, nousproposons un algorithme PIC modifié qui n'est pas sujet à l'effetCherenkov numérique. A l'aide de cet algorithme, un nouveau mécanisme permettant de générerle faisceau est observé puis étudié : il s'agit de l'injection optique transverse. Les faisceaux produits par ce mécanisme sontcaractérisés par une forte charge, une faible divergence et une faibleémittance. Par ailleurs, nous proposons un dispositif - la lentille laser-plasma - qui permet defortement réduire la divergence finale des faisceaux. Cesrésultats sont placés dans leur contexte, à travers une discussion despropriétés nécessaires pour un laser à électrons libres compact. Nousmontrons en particulier que les accélérateurs laser-plasma pourraientêtre avantageusement combinés avec des onduleurs laser-plasmainnovants, afin de produire des sources de rayons X intenses When an intense and short laser pulse propagates through an underdensegas, it can accelerate a fraction of the electrons of the gas, andthereby generate an electron bunch with an energy of a few hundreds ofMeV. This phenomenon, which is referred to as laser-wakefield acceleration, has many potential applications, including the design of ultra-bright X-ray sources known as freeelectron lasers (FEL). However, these applications require the electronbunch to have an excellent quality (low divergence, emittance andenergy spread). In this thesis, different solutions to improve thequality of the electron bunch are developed, both analytically and through the use of Particle-In-Cell (PIC) simulations. It is first shown however that PIC simulations tend to erroneously overestimate the emittance of the bunch, due to the numerical Cherenkov effect. Thus, in order to correctly estimate the emittance, a modified PICalgorithm is proposed, which is not subject to this unphysical Cherenkov effect. Using this algorithm, we observed and studied a new mechanism togenerate the electron bunch: optical transverse injection. This mechanism can produce bunches with ahigh charge, a low emittance and a low energy spread. In addition, wealso proposed an experimental setup - the laser-plasma lens- which can strongly reduce the final divergence of the bunch. Finally, these results are put into context by discussing the propertiesrequired for the design of a compact FEL. It is shown in particularthat laser-wakefield accelerator could be advantageously combinedwith innovative laser-plasma undulators, in order to produce brightX-rays sources

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Gerbaux, Mathias. "Sources de particules de hautes énergies obtenues avec des lasers intenses pour applications à la physique nucléaire." Phd thesis, Université Sciences et Technologies - Bordeaux I, 2007. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00269852.

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Abstract:

Cette étude expérimentale concerne la caractérisation des faisceaux d'électrons et de protons d'énergie supérieure à quelques MeV produits lors de l'interaction d'un laser ultra-intense (~10^19 W.cm-2) avec une cible solide de faible épaisseur (10 µm). Ce travail se place dans la perspective de l'utilisation de ces faisceaux pour des expériences de physique nucléaire. Pour cet usage, il est nécessaire de connaître quantitativement les caractéristiques des faisceaux de particules : distribution en énergie, distribution angulaire. Les faisceaux obtenus par accélération laser ont des caractéristiques très différentes des faisceaux d'accélérateurs conventionnels entre autres de par leur brièveté et leur intensité mais aussi par leur distribution en énergie continue. Ces propriétés rendent complexes leur caractérisation et nous ont amenés à développer des méthodes combinant spectromètres à diodes, films radiochromiques, activation nucléaire de matériaux choisis et simulations Monte-Carlo. Ces méthodes ont été utilisées sur deux installations lasers différentes (Salle Jaune au LOA de Palaiseau et JETI à l'IOQ de Jena) mais de caractéristiques proches pour l'étude des faisceaux d'électrons en fonction du matériau-cible. Une expérience a également été menée pour caractériser tir à tir le faisceau de protons produits par le laser 100 TW du LULI (Palaiseau). Cette dernière expérience a, de plus, permis de démontrer la possibilité d'induire des réactions nucléaires dans un plasma et de mesurer quantitativement le taux de réaction en vue d'une expérience de perturbation du couplage noyau-cortège électronique par un champ électromagnétique fort dû au laser.

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Faure, Jérôme. "Accélération de particules par interaction laser-plasma dans le régime relativiste." Habilitation à diriger des recherches, Université Paris Sud - Paris XI, 2009. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00404354.

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Abstract:

Ce mémoire de HDR résume les dix dernières années de recherche effectuée au Laboratoire d'Optique Appliquée sur l'accélération d'électrons par interaction laser-plasma. Les résultats principaux sont l'obtention d'une source d'électrons relativiste (100-300 MeV), mono-énergétique, ultracourte (quelques fs), compacte (quelques millimètres), stable et réglable. Le manuscrit décrit les étapes qui ont permis d'élucider la physique en jeu puis de la maîtriser, ce qui a finalement abouti à la génération de cette nouvelle source. Les aspects de propagation non linéaire de l'impulsion laser dans un plasma sous-dense sont tout d'abord traités: la création d'onde de sillage linéaire et non linéaire, l'auto-focalisation relativiste et pondéromotrice d'impulsions courtes et intenses, l'auto-compression dans les ondes plasmas. Puis l'accélération et l'injection des électrons dans les ondes de sillage est rappelée d'un point de vue théorique. La démonstration expérimentale de l'injection des électrons dans le régime de la bulle et/ou par collision de deux impulsions laser est ensuite développée. Ces expériences ont été parmi les premières à permettre l'obtention de faisceaux mono-énergétiques de bonne qualité dans un premier temps, et stable et réglable dans un deuxième temps. Les deux derniers chapitres sont consacrés aux diagnostics du faisceau d'électrons par rayonnement de transition puis aux applications en radiographie gamma et radiothérapie. Finalement les perspectives de cette recherche sont présentées en conclusion. En particulier, on s'est intéressé aux paramètres atteignables sur les lasers petawatt en cours de construction.

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Rovige, Lucas. "Optimization, stabilization and optical phase control of a high-repetition rate laser-wakefield accelerator." Electronic Thesis or Diss., Institut polytechnique de Paris, 2022. http://www.theses.fr/2022IPPAE011.

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Abstract:

Cette thèse de doctorat présente le travail expérimental sur le développement d'un accélérateur laser-plasma à haut taux de répétition (kHz) utilisant des impulsions laser de quelques milijoules, et de durée proche du cycle optique. Nous explorons un large ensemble de paramètres expérimentaux pour optimiser l'accélérateur en contrôlant la densité et le profil plasma, la durée des impulsions, le type de gaz et le mécanisme d'injection utilisés dans les expériences. Nous démontrons une amélioration significative des performances, notamment avec d’importants progrès réalisés sur la stabilité et la fiabilité à long terme de l'accélérateur, avec un fonctionnement continu et stable de l'accélérateur pendant plusieurs heures accumulant un record de 18 millions de tirs consécutifs. Ce gain de stabilité est obtenu en utilisant un nouveau type de jet de gaz qui utilise un choc hydrodynamique oblique asymétrique permettant l'injection d’électrons dans le gradient de densité descendant de la région choquée. En utilisant des simulations particle-in-cell, les causes physiques menant à un régime d'accélération optimisé et stable sont établies. L'énergie typique du faisceau d'électrons a également été augmentée d'un facteur deux, jusqu'à 8 MeV, tandis que des divergences divergence mono-tir du faisceau d’électrons aussi faible que 3mrad sont obtenues en utilisant de l'hélium au lieu de l'azote pour créer le plasma. Nous présentons ensuite les résultats d'une première expérience d'application en radiobiologie où notre accélérateur est utilisé pour irradier des cellules cancéreuses, en profitant de la stabilité nouvellement acquise.Dans un second temps, nous étudions les spécificités de l'interaction des impulsions proche du cycle optique avec un plasma sous-dense se produisant dans notre accélérateur, principalement par l'effet de la phase enveloppe-porteuse (CEP). Nous observons et contrôlons expérimentalement pour la première fois les effets CEP dans un accélérateur laser-plasma, qui se manifestent par une dépendance du pointé du faisceau d'électrons à la phase optique initiale du laser. Des variations de charge significatives (jusqu'à 30%) lorsque l'on change la valeur du CEP sont également observées dans certains cas. En effectuant des simulations particle-in-cell, nous expliquons ces effets par une injection périodique hors axe de plusieurs sous-faisceaux d'électrons déclenchée par l'oscillation de l'asymétrie de l'onde plasma dans la direction de polarisation du laser due au glissement de la CEP pendant la propagation. Enfin, nous discutons de résultats préliminaires concernant les effets de la CEP sur le spectre d'énergie des électrons associés à l'injection d'ionisation dans un mélange de gaz hélium-argon This PhD thesis presents experimental work on the development of a high-repetition rate (kHz) laser-wakefield accelerator using few millijoules, near-single cycle laser pulses. We explore a large set of experimental parameters to optimize the accelerator by controlling the plasma density and profile, pulse duration, type of gas and injection mechanism used in experiments. We demonstrate significant performances improvement, notably with progress made on the long-term stability and reliability of the accelerator with continuous and stable operation of the accelerator for several hours accumulating a record of 18 million consecutive shots. We achieve this gain in stability by using a newly designed type of gas target resulting in an asymmetric hydrodynamic oblique shock enabling injection in the downward density transition of the shock region. Using particle-in-cell simulations, we understand in details the underlying causes leading to an optimized and stable acceleration regime. The typical electron beam energy has also been increased by a factor of two, up to 8 MeV, while a single-shot beam divergence as low as 3mrad is achieved using helium instead of nitrogen to form the plasma. We then present the results of a first application experiment in radiobiology where our accelerator is used to irradiate cancerous cells, taking advantage of the newly acquired stability.Secondly, we study the specificity of the interaction of near-single cycle pulses with an underdense plasma that occurs in our accelerator, mainly through the effect of the carrier-envelope phase (CEP). We observe and control experimentally for the first time CEP effects in a laser-wakefield accelerator, that manifest through a dependence of the electron beam pointing to the laser initial optical phase. We also show significant (up to 30%) charge variations in some cases when changing the value of the CEP. By carrying out particle-in-cell simulations, we explain these effects by the periodic off-axis injection of several electron sub-bunches triggered by the oscillation of the asymmetry of the plasma wave in the laser polarization direction due to the CEP shifting during propagation. Finally, we discuss preliminary results on carrier-envelope phase effects on the electron energy spectrum associated with ionization injection in a helium-argon gas mixture

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Dissertations / Theses on the topic 'Accélérateurs laser-plasma'

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