Cahier des charges : Dispositif électrique d - Nouba

Cahier des charges : Dispositif électrique d’ajustement fin d’un
gradient de jet de gaz surcritique pour l’interaction laser –plasma
Position du problème
Depuis 4 ans, le groupe Sources de Particules par Laser (SPL) développe au sein du
Laboratoire d’Optique Appliquée (LOA, UMR 7639, X-ENSTA-CNRS) des cibles gazeuses de
nouvelle génération pour l’exploration de l’interaction laser-plasma en régime proche-
surcritque (densité atomique pic >1021 atomes/cm3)
1
,
2
. Ces travaux s’inscrivent dans l’effort
de maîtrise du couplage entre un laser intense et un plasma dense, de réalisation d’un
transfert efficace de l’énergie de l’impulsion électromagnétique aux particules du plasma
(électrons, ions), et enfin de génération d’un faisceau d’ions de qualité suffisante vers une
protonthérapie à cadence élevée possible par accélérateur laser-plasma
3
,
4
,
5
.
Récemment, en se basant sur une expérience d’accélération d’ions par laser à partir d’un jet
d’hélium, le groupe SPL a conclu quant à l’importance de pouvoir disposer de jet à gradient
très raide (~1020 atomes/cm3.µm) afin d’augmenter le gain de l’accélération ionique
6
.
Toutefois, les jets développés par le groupe présentent des gradients plus doux que requis
(<1019 atomes/cm3.µm).
Schéma envisagé : ajustement par champ électrique pulsé.
L’appel vise à identifier un partenaire industriel en mesure de proposer un dispositif
électrique simple d’ajustement « en temps réel » du gradient de gaz. Ce dispositif pourra
être couplé éventuellement avec un dispositif annexe de pré-ionisation du gaz pour favoriser
son modelage (décharge, claquage laser etc.). Le montage suivant illustre le schéma
envisagé pour un jet supersonique pulsant dans une chambre à vide (p~10-4 mbar).
1
Sylla et al, RSI, 83, 033507 (2012).
2
Priorité n° : FR 110055056 du 09 Juin 2011
3
Sylla et al, PRL, 110, 085001 (2013)
4
Sylla et al, PRL, 108, 115003 (2012)
5
Sylla, PhD Thesis, Ecole Polytechique, pastel-00710430 (2011)
6
Lifschitz et al, NJP 16, 033031 (2014)

La mise sous tensions pulsée des électrodes crée un champ électrique de géométrie adapté
pour orienter les particules de gaz (ou de plasma) issu du l’écoulement structuré par tuyère,
et ainsi raidir le gradient du jet sur lequel le laser ultracourt est focalisé.
Contraintes détaillées du dispositif et de l’environnement
Niveau de vide nominal : p~10-4 mbar.
Equipement compatible vide secondaire.
Type de gaz : gaz nobles (pur ou mélange). Atmosphère non explosive.
Electrodes
 Les électrodes doivent résister à un éventuel claquage inter-électrode.
 Les électrodes doivent permettre le passage du laser intense (ouverture
numérique minimale : f/5).
 Les électrodes doivent s’ajuster sur des tuyères de diamètre externe 0.7-1mm et
tenir de façon autonome (contrainte d’environnement à préciser).
 Aucun claquage ne doit avoir lieu entre les électrodes et la tuyère (tuyère téflon,
plexi etc.).
Champ électrique
 Le champ ne doit pas être pulsé pendant plus de 10 ms (contrainte de remplissage de
la chambre à vide).
 L’intensité du champ électrique doit permettre de réduire d’un facteur 10 la longueur
du gradient (passage de ~1019 atomes/cm3.µm à 1020 atomes/cm3.µm).
 L’intensité du champ doit être inférieure au point de claquage dans la courbe de
Paschen pour la distance D choisie et une densité atomique pic de 1022 atomes/cm3.
Caractérisation du jet et gradient:
 Par imagerie 2D interférométrique.
 Champ minimale: 2x2mm2.
 Résolution : <2 µm
 Niveau de bruit : <5x1018 atomes/cm3
Coût global (matériels, montage, caractérisation): <25kEUR HT.
Déroulement indicatif
Le vainqueur de l’appel d’offre devra :
 Valider un schéma technique de champ électrique adapté.
 Réaliser un dispositif et effectuer une première série de mesure sur gaz neutres en
ces locaux. En particulier, le vainqueur devra disposer/se munir d’un système de jet
de gaz surdense.

 Le cas échéant, proposer un montage expérimental quantitatif avec pré-ionisation
(par décharge ou claquage laser).
 Réaliser un dispositif et effectuer une seconde série de mesure sur plasma au LOA.
 Délivrer le dispositif d’électrodes fonctionnel et un rapport concis de caractérisation.