Accelerateurs à lasers plasma : Principes et applications Victor Malka

Accelerateurs à lasers plasma :
Principes et applications
Victor Malka
Compte rendu du séminaire de la FIP
Mathias Kende, Mikhail Tikhonov
27 novembre 2007
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1.1
Présentation du laboratoire
Le Laboratoire d’optique appliquée
Le laboratoire d’optique appliquée (ENSTA/École Polytechnique/CNRS) est
une petite structure (environ quarante-cinq personnes) qui effectue, entre autre,
des recherches sur les lasers et leurs applications.
1.2
Applications des recherches du LOA
Parmis ces applications, on note particulièrement la mise au point de lasers
X, qui peuvent être utilisés pour sonder la matière (avec de nombreuses application médicales et industrielles envisageables). Avec l’augmentation de l’intensité
des lasers que l’on sait produire (voir la figure 1) on peut étudier de nouveaux
phénomènes dont la filamentation, consistant en l’ionisation de l’air sur le passage du laser et au phénomène d’autoguidage qui permet de propager un laser
de manière bien localisé sur de grandes distances. Cette filamentation permet
de créer un tube conducteur sur le passage du laser, et les applications de cela
sont multiples : par exemple, le guidage des éclairs ou la transmission de courant sans contact mécanique et donc sans frottement entre les caténaires et les
pantographes d’un train à grande vitesse.
1.3
Fabriquer des lasers
Pour augmenter l’intensité des pulses lasers on peut utiliser la méthode CPA
(chop pulse amplification, voir figure 2) qui consiste à décomposer un pulse en
fréquences pour pouvoir l’amplifier, avant de le re-condenser. Avec cette méthode, on est capable de produire des lasers ayant une intensité de 100 TW (3 J
pendant 30 fs).
On mentionne aussi l’existence de méthodes utilisant des milieux non linéaires afin de compresser les pulses pour augmenter leur intensité.
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Fig. 1 – Évolution de la puissance des lasers
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2.1
Accélérateurs à laser plasma
Motivation
Les accélérateurs classiques sont limités dans leurs capacités par les différences de potentiels que l’on peut produire (la tension de claquage des matériaux utilisé est de l’ordre de 10 MV/m) et par leur taille (imposée par les coûts
de tels appareils). On peut considérer que les 27 km de circonférence du LHC
constituent un record qui ne sera probablement pas dépassé.
En utilisant un plasma comme milieu pour l’accélération, on s’affranchie de
la contrainte sur les différences de potentiels car le milieu est déjà ionisé et
supporte donc facilement des champs électriques allant jusqu’à 300 GV/m. On
utilise alors un laser pour créer dans le plasma une « onde plasma » sur laquelle
les électrons du plasma peuvent être emporté, à la manière d’un surfeur.
À titre de comparaison, la figure 3 montre un accélérateur à laser plasma qui
produit un faisceau d’électrons à 10 MeV, d’une taille dix mille fois plus petite
qu’une cavité RF produisant des électrons de même énergie.
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Production de faisceaux d’électrons monoénergétiques
Pour que les électrons du plasma soient emportés par l’onde plasma induite
par le laser, ceux-ci doivent déjà avoir une énergie suffisante pour être « injectés »
dans l’onde.
L’un des moyens de réaliser cette injection est d’utiliser le phénomène de
self modulation qui se produit dans le plasma : un paquet d’onde du laser, de
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Fig. 2 – Schéma de principe du CPA
Fig. 3 – Accélérateur standard (L=1m) et à plasma laser (L=100 µm)
longueur τ , est modulé à une fréquence supérieure à 1/τ , ce qui excite plus
efficacement les électrons et leur donne une énergie suffisante pour être injectés.
Ce procédé permet d’obtenir des faisceaux d’électrons quasiment monoénergétiques. Cette technique a été mise au point en 1995 et de très bon résultats
expérimentaux ont été obtenus en 2002.
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Vers un faisceau plus stable
Avec ce procédé de self modulation on peut atteindre un régime dit de la
bulle où tout les électrons sur le chemin de cette bulle (porté par l’onde self
modulée) sont injectés, ce qui permet d’obtenir des faisceau très énergétique (et
toujours quasiment mono-énergétique). Par contre, le faisceau obtenu est très
instable.
Pour résoudre ce problème il est possible d’utiliser un faisceau contre propagatif. Si on arrive à réaliser cela (ce qui pose quelques problèmes car l’un
des lasers ne doit pas aller détruire l’appareil optique de l’autre), le battement
induit par l’interférence entre les deux lasers chauffe les électrons et permet de
les injecter dans le faisceau.
De plus, avec cette méthode, on peut controler l’énergie du faisceau d’élec-
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tron en choisissant l’endroit où ils seront injectés.
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Applications
Ces accélérateurs permettent de produire des sources de rayons X très
courtes, très directives et très puissantes, ils rendent plus facile de réaliser des
expériences d’interférences entre des électrons et des photons car les électrons
étant produit par le laser, la synchronisation de ces deux faisceaux est bien
plus facile. De même les faisceaux d’électrons très énergétiques produits par
cette technique permettent de créer des sources de photons γ, par exemple par
collision avec une cible de tentale.
Les accélérateurs à laser plasma promettent donc de nombreux moyens de
sonder la matière, y compris par collision directe des faisceaux d’électrons avec
la matière à étudier, selon le principe de la figure 4.
Fig. 4 – Radiographie à haute résolution d’objets denses grâce à une source
d’électrons quasi-ponctuelle à faible divergence
Parmis les applications des accélérateurs à lasers plasma, on trouve aussi le
traitement de tumeurs, en effet les électrons dit de très hautes énergies (VHE,
dont les énergies sont de l’ordre du GeV) permettent de cibler plus précisement
une région cancéreuse et donc de réduire l’irradiation globale du corps (c’est-àdire que le rapport entre l’énergie déposée dans la tumeur sur l’énergie déposée
dans le reste du corps est meilleur qu’avec des photons par exemple).
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