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Des paquets d’électrons ultracourts accélérés par plasma

5 mai 2011

LOB - UMR 7645 , LOA - UMR 7639 , LLR - UMR 7638

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Les accélérateurs à plasma laser produisent sur de très courtes distances des faisceaux de particules aux propriétés tout à fait uniques. Le principe de cette alternative aux accélérateurs de particules de grande taille a été démontré expérimentalement il y a plusieurs années. La grande difficulté est maintenant de mettre en œuvre ces principes pour obtenir des faisceaux intenses et utilisables. Un pas important dans cette direction vient d’être réalisé par l’équipe SPL (Source de Particules produites par Laser) du LOA (Laboratoire d’Optique Appliquée, ENSTA-Paristech, Ecole Polytechnique, CNRS) en collaboration avec l’équipe GALOP du LLR (Laboratoire Leprince-Ringuet Ecole Polytechnique, CNRS) en produisant un faisceau d’électrons de courant crête record de 4 kiloampères. Ce résultat fait l’objet d’une publication dans la revue Nature Physics du mois de mars 2011 (doi:10.1038/nphys1872).

Dans un accélérateur de type traditionnel, l’intensité du champ électrique qui accélère les particules est limitée à quelques dizaines de mégavolt par mètre, en raison des phénomènes de « claquage » qui se traduisent par l’apparition de décharges électriques brusques sous forme d’étincelles et d’éclairs. Dans les plasmas, qui sont des gaz ionisés, cette limite n’existe plus et il est possible de produire des champs électriques de mille à dix mille fois plus intenses. Cela permet donc de réduire la taille des dispositifs et d’obtenir des accélérateurs très compacts. Pour mettre ces idées en œuvre, l’équipe de V. Malka a utilisé un schéma de collision d’impulsions laser qui permet de produire dans un accélérateur à plasma laser un faisceau d’électrons particulièrement stable et de paramètres contrôlables. Les électrons sont injectés lors de la collision de deux impulsions laser dans le champ électrique très intense (plus de 100 GV/m) associé à l’onde de sillage qui est excitée par l’impulsion laser principale au sein de la cavité accélératrice plasma. Dans ce travail, les chercheurs se sont attachés à contrôler et à caractériser la durée et l’intensité du paquet d’électrons accélérés. En analysant le spectre du rayonnement visible et infra rouge que produit le faisceau d’électrons en traversant une feuille mince ils en ont déduit une durée d’impulsion de 1,5 femtosecondes, la plus courte jamais mesurée pour un faisceau d’électrons. La charge et la distribution en énergie du faisceau d’électrons étant mesurées par ailleurs, une mesure fine du courant crête de 4 kA a pu être réalisée. Ce courant crête est comparable à celui délivré par l’accélérateur linéaire SLAC de Stanford qui a permis de produire le faisceau X le plus intense du monde obtenu en faisant osciller les électrons dans des onduleurs (structure avec des champs magnétiques alternés). Ce résultat est donc tout à fait encourageant pour le développement de schéma de lasers à électrons libres plus compacts.

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Montage expérimental


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Spectre de rayonnement de transition
Cercles : données expérimentales
Lignes continues : courbes théoriques pour différentes valeurs de la durée du paquet d’électrons

En savoir plus

Few femtosecond, few kiloampere electron bunch produced by a laser–plasma accelerator, O. Lundh1, J. Lim1, C. Rechatin1, L. Ammoura1, A. Ben-Ismaïl2, X. Davoine3, G. Gallot4, J-P. Goddet1, E. Lefebvre3, V. Malka1 et J. Faure1, Nature physics, 9 janvier 2011

Contacts chercheurs

Victor Malka, Chercheur

1Laboratoire d’Optique Appliquée , UMR 7639 :

2Laboratoire Leprince Ringuet , UMR 7638 :

3 CEA, DAM, DIF, Bruyères-le-Châtel, Arpajon

4 Laboratoire d’Optique et Biosciences, UMR 7645 :

Contacts INP

Jean-Michel Courty,
Catherine Dematteis,
Karine Penalba,
inp-communication cnrs-dir.fr