Etude de l`excitation d`onde plasma par des faisceaux d`électrons

Proposition d’un Projet de Recherche en Laboratoire
Titre : Etude de l'excitation d'onde plasma par des faisceaux d'électrons issus d'un accélérateur laser-
plasma
Laboratoire d’accueil : Laboratoire d’Optique Appliquée
Résumé : Les accélérateurs conventionnels étant limités par leur champ électrique, inférieur à 100
MV/m, de nouvelles méthodes d'accélération sont explorées. L'accélération plasma est particulièrement
prometteuse car elle permet d'obtenir des champs électriques très élevés, pouvant être supérieur à 100
GV/m. Avec de tels champs, on pourrait atteindre les énergies requises par les collectionneurs de
particules après seulement quelques dizaines de mètres d'accélération. Ces nouveaux schémas
d’accélération offrent également d’importantes perspectives dans de nombreux domaines
multidisciplinaires; en physique : génération de sources X femtosecondes, lasers à électrons libres,
radiographie gamma, diffraction d’électrons, diffraction X, en chimie : radiolyse femtoseconde, en
médecine: radiothérapie, imagerie par contraste de phase, etc.
Deux stratégies sont étudiées dans le domaine des accélérateurs plasmas. Elles diffèrent dans la manière
dont sont établis les champs électriques dans le plasma. La première utilise une impulsion laser courte et
intense. Lorsque celle-ci se propage dans un plasma sous-dense, elle excite une onde de densité de
charge et de champ électrique dans son sillage, que l’on appelle onde plasma. Un paquet d’électrons
peut alors être injecté et accéléré par cette onde plasma. On parle alors d’un accélérateur laser-plasma.
La deuxième méthode utilise un faisceau de particules (typiquement d’électrons) pour exciter l’onde
plasma. Jusqu’ici, cette méthode n’a été étudiée expérimentalement que par le biais de infrastructures
coûteuses, comme par exemple l’accélérateur linéaire de 2 km de FACET, au SLAC National Accelerator
Laboratory (Etats-Unis).
Nous proposons donc d’étudier l’excitation d’onde plasma par des faisceaux d’électrons issus d’une
installation compacte, flexible et peu couteuse : l’accélérateur laser-plasma du Laboratoire d’Optique
Appliquée. Le binôme participera pendant quelques séances à cette étude expérimentale, pour ensuite
se focaliser sur l’analyse des données expérimentales collectées, à l’aide de Matlab ou de Python. En
particulier, il s’agira de mettre en évidence comment l’amplitude de l’onde plasma excitée, et la
longueur sur laquelle elle est excitée, dépendent des paramètres expérimentaux : charge et émittance
du paquet d’électrons, distance entre l’accélérateur laser-plasma et le deuxième plasma, pré-ionisation
ou non du deuxième plasma, densité du deuxième plasma.
Mots clés : Relativité, optique, plasma, faisceaux de particules, rayons X et gamma
Nature : expérimental / numérique
Accueil d’un binôme possible : Oui
Personnes à contacter : Sébastien Corde ([e-mail])