Conditions optimales pour le fonctionnement le plus efficace des accélérateurs à plasma laser 17.09.2017

Les accélérateurs d'électrons traditionnels sont depuis longtemps devenus l'un des principaux types d'instruments scientifiques. Des impulsions de rayonnement extrêmement intenses et courtes produites par des synchrotrons et des lasers à électrons libres permettent aux scientifiques d'étudier la matière et les processus se produisant à l'échelle atomique. Mais même les plus petits accélérateurs d'électrons occupent désormais une surface comparable à la surface d'un terrain de football.

Une alternative aux technologies traditionnelles d'accélération d'électrons est la méthode d'accélération laser-plasma qui, avec une petite taille de l'accélérateur, permet d'obtenir un faisceau d'électrons accélérés de haute intensité. Mais les accélérateurs de ce type ont un inconvénient - avec leur aide, il est très difficile d'obtenir un faisceau stable d'électrons avec une luminosité stable. Et ce problème a été résolu par des physiciens du centre de recherche HZDR (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf), en Allemagne, qui ont réussi à déterminer un certain nombre de paramètres permettant de créer des conditions de fonctionnement optimales pour un accélérateur d'électrons laser-plasma.

Le principe qui sous-tend la technologie d'accélération laser-plasma est assez simple, un faisceau laser puissant est focalisé dans un milieu gazeux qui, sous son influence, se transforme en plasma, dans un état ionisé de la matière. L'énergie du faisceau laser fait sortir les électrons de leurs atomes "natifs", ce qui crée une sorte de "bulle" d'un fort champ électrique dans le volume du plasma. Cette région du champ électrique, qui suit l'impulsion de la lumière laser, est une onde qui se déplace presque à la vitesse de la lumière. Et les électrons piégés sur la crête de cette onde sont également accélérés presque à la vitesse de la lumière. L'exposition de ces électrons à une impulsion supplémentaire de lumière laser produit des impulsions de rayons X brillantes et ultracourtes, à l'aide desquelles les scientifiques "voient à travers" les échantillons étudiés de divers matériaux.

La force du rayonnement X secondaire dépend directement du nombre d'électrons de haute énergie impliqués dans ce processus. Cependant, lorsqu'un grand nombre d'électrons sont accélérés, l'onde plasma décroît sous l'influence des effets liés à ces électrons et à leur champ électrique, ce qui, de plus, dégrade la forme du faisceau. La forme déformée du faisceau et l'instabilité de l'onde plasma conduisent au fait que le faisceau contient des électrons avec différents niveaux d'énergie et d'autres paramètres.

"Mais pour pouvoir utiliser un faisceau d'électrons pour des expériences de haute précision, un faisceau stable composé d'électrons avec les mêmes paramètres est nécessaire", explique le physicien Jurjen Pieter Couperus, "Tous les électrons du faisceau doivent être dans le bon lieu au bon moment."

Les scientifiques du HZDR ont réalisé un certain nombre de travaux visant à améliorer la qualité du faisceau d'électrons produit par les accélérateurs laser-plasma. Ils ont découvert que l'ajout d'une petite quantité d'azote à l'hélium, qui est utilisé pour créer du plasma, améliorait grandement la situation. "Nous pouvons contrôler le nombre d'électrons chevauchant l'onde de plasma en modifiant la concentration d'azote", explique Jurien Peter Kuperus, "Dans nos expériences, nous avons constaté que le cas idéal est celui où l'onde de plasma transporte des électrons avec une charge totale d'exactement 300 picocoulombs. Même le plus petit écart par rapport à cette valeur dans n'importe quelle direction entraîne une dissipation d'énergie, ce qui réduit la qualité du faisceau généré. "

Les calculs effectués ont montré que pour en générer un de haute qualité, il est toujours nécessaire que le courant de crête du mouvement des électrons sur la crête de l'onde plasma soit d'au moins 50 kiloampères.

"En utilisant les impulsions ultracourtes du laser pétawatt de DRACO, nous serons en mesure de générer un faisceau d'électrons de haute qualité à un courant de crête de 150 kiloampères", déclare Jurien Peter Kuperus, "Cela dépassera les capacités de tous les accélérateurs d'électrons modernes à grande échelle jusqu'à deux ordres de grandeur. Et cela nous permettra de créer des sources de rayons X de nouvelle génération très compactes".