L’hydrogène améliore la performance d’un accélérateur laser-plasma au kHz
L’accélération laser-plasma représente une méthode alternative pour accélérer les électrons à des vitesses relativistes. Une impulsion laser puissante est focalisée dans un plasma, où, grâce à son champ électrique crête de teravolt par mètre, elle génére une structure accélératrice capable de produire des champs jusqu’à 10 000 fois plus puissants que ceux des accélérateurs traditionnels à cavités RF. Cela permet d’atteindre de hautes énergies d’électrons accélérés sur des distances bien plus courtes.
Le groupe APPLI au LOA se concentre sur le développement d’un accélérateur laser-plasma à haute cadence (kHz). Ils utilisent le laser terawatt de la Salle Noire 2, délivrant des impulsions de 4 fs et quelques milli-Joule, focalisé sur une cible de gaz en flux continu. Dans un nouvel article publié dans Physical Review Research, le groupe rend compte de ses derniers travaux, qui examinent en détail l’influence de la nature du gaz sur les performances de l’accélérateur.
Les résultats démontrent que l’hydrogène offre les meilleures performances, à la fois en termes d’énergie d’électrons et en qualité spatiale du faisceau produit. Le faisceaux d’électrons quasi-monoénergétiques atteignant jusqu’à 10 MeV a une divergence angulaire de 15 mrad et une charge de 2 pC par impulsion. Cela représente une amélioration importante des performances démontrées auparavant : l’énergie est triplée, et la divergence divisé par 5, en gardant quasiment la même charge.
Le fonctionnement en continu à un taux de répétition de 1 kHz avec une cible d’hydrogène était rendu possible par le développement d’un système de pompage différentiel, tandis que les précédentes expériences similaires dans hydrogène opéraient en mode rafale uniquement.
Des simulations numériques ont permis d’interpréter ces observations. Elles montrent que, dans l’hélium et l’azote, les effets d’ionisation déforment l’impulsion laser et détériorent les performances de l’accélération. Ces effets sont drastiquement réduits dans l’hydrogène, ce qui améliore la qualité des faisceaux d’électrons accélérés.
Ces résultats soulignent l’importance de l’hydrogène comme gaz cible pour les accélérateurs laser-plasma à haute cadence, même si cela amène de nombreuses contraintes techniques de sécurité et de pompage.
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Résultats de simulations numériques. A gauche on suit l’impulsion laser, montrée en orange, qui se propage le long de la direction z à travers le plasma dont la densité électronique est montrée en vert. Les électrons injectés dans la structure accélératrice du champ de sillage apparaissent par les point oranges. A droite est montré le spectre de ces électrons. En haut, le résultat pour l’hydrogène, en bas pour l’hélium.