Étude de l'accélération d'ions par laser dans le régime de transparence relativiste, à l'aide de feuilles ultra-minces et de cibles cryogéniques

L'accélérateur d'ions piloté par laser (LDIA) s'est imposé comme une alternative prometteuse, compacte et économique aux accélérateurs conventionnels. Au cours de la dernière décennie, des progrès significatifs ont été réalisés, avec des faisceaux de protons atteignant près de 100 MeV lors d'expériences et de nouveaux mécanismes d'accélération développés. Historiquement, les records d'énergie des protons ont principalement été enregistrés avec des lasers à haute énergie (> 100 J) à grande échelle, avec une cadence de tir limitée, irradiant des cibles minces de quelques micromètres d'épaisseur et induisant une accélération par expansion de plasma induite par électrons chauds, appelée accélération par la gaine normale à la cible (TNSA). Un record récent de 160 MeV a été atteint au HZDR (Allemagne) avec un laser délivrant des impulsions de 20J et de 30fs (DRACO) focalisées à ultra-haute intensité (10^21 W/cm²) sur des feuilles de plastique ultra-minces (250 nm). Ce résultat démontre qu'à ultra-haute intensité, en adaptant l'épaisseur initiale de la cible aux paramètres laser, un plasma quasi-critique est créé, générant un régime de transparence induite de manière relativiste. Cela permet à l'impulsion laser principale de pénétrer la cible initialement opaque et de déclencher l'accélération des protons via une cascade de mécanismes différents augmentant l'énergie de coupure des protons. Ce concept fonctionne sans nécessiter de limitation de la cadence de tir, comme le nettoyage du contraste laser temporel (par exemple, avec des miroirs plasma) ou un traitement spécifique de la cible. Ce projet de thèse vise à explorer des schémas en régime de transparence induite pour optimiser l'accélération laser de protons jusqu'à la barrière des 200 MeV, avec un dispositif compatible avec les installations laser à haute fréquence de répétition. La première partie de la thèse consiste en des simulations 3D Particle-In-Cell (PIC), avec le code Smilei, pour optimiser l'interaction laser-cible en régime de transparence induite, en utilisant des cibles solides ultra-minces. La sensibilité de ce processus d'accélération au profil temporel du laser sera étudiée afin d'accroître la robustesse de ce schéma. Notre nouvelle collaboration avec HZDR en Allemagne évaluera les possibilités expérimentales d'obtenir des faisceaux de protons stables à proximité de la barrière des 200 MeV avec le système laser DRACO. La deuxième partie de la thèse porte sur une alternative à l'utilisation de feuilles ultra-minces pour la préparation d'opérations à haute fréquence de répétition. Son objectif est d'étudier l'interaction d'un laser haute intensité avec une cible cryogénique à ruban d'hydrogène accordable et alimentée en continu. Ces cibles cryogéniques, développées par des collègues du CEA (Grenoble), présentent les avantages clés suivants: - Elles présentent la plus faible densité possible, soit une densité électronique de seulement 32nc; - L'épaisseur de la cible peut être ajustée jusqu'à quelques microns; - Elles offrent un avantage pratique considérable en termes de fonctionnement à haute fréquence de répétition; - Elles produisent un faisceau d'ions mono-espèce pur. À haute intensité (I > 1021 W/cm²), ces cibles cryogéniques sont quasi-critiques et, pour des épaisseurs de quelques microns, elles permettent d'explorer le régime de transparence de l'accélération laser d'ions avec un taux de répétition élevé. L'utilisation de rubans d'hélium pourrait être explorée pour produire des faisceaux d'alphas. Ce volet sera réalisé en collaboration avec le LULI et le CEA Grenoble. Des expériences sur Apollon seront préparées. École doctorale : Sciences Physiques et de l'Ingénieur Direction : Emmanuel D'HUMIERES Financement : CEA