Forte augmentation de l’énergie et du flux de la source X Betatron du LOA

Les sources de rayonnements X « Betatron » produites lors de l’interaction laser-plasma reproduisent le principe d’un synchrotron à l’échelle millimétrique. Le rayonnement X est produit par des électrons accélérés jusqu’à des vitesses relativistes et oscillants dans le sillage d’une impulsion laser intense se propageant dans un gaz, généralement de l’helium.

En plus d’être compactes, ces sources sont à la fois femtoseconde et ont un spectre large. Toutefois, malgré ces propriétés uniques, le flux et l’énergie de ces sources, lorsqu’elles sont produites avec des lasers Terawatt, restent trop faibles comparés aux sources synchrotron. Cela limite considérablement leur domaine d’applications.

Dans un article récemment publié dans la revue Physical Review X, nous démontrons une nouvelle méthode qui permet d’augmenter simplement l’efficacité de la source. Nous montrons que des modulations de densité dans le gaz permettent de manipuler les trajectoires des électrons relativistes. Nous avons ainsi pu optimiser la production de rayonnement X et augmenter l’énergie de la source d’un ordre de grandeur. L’énergie de la source Betatron au LOA dépasse désormais 10 keV. Elle devient donc un outil particulièrement interessant pour les études de dynamiques atomiques et moléculaires ultra-rapides.

[1] « Hard X Rays from Laser-Wakefield Accelerators in Density Tailored Plasmas » ; M. Kozlova, I. Andriyash, J. Gautier, S. Sebban, S. Smartsev, N. Jourdain, U. Chulagain, Y. Azamoum, A. Tafzi, J.-P. Goddet, K. Oubrerie, C. Thaury, A. Rousse, and K. Ta Phuoc, Phys. Rev. X 10, 011061 (2020).

Figure: Représentation schématique du rôle des gradients de densité pour améliorer l’efficacité de la source betatron. (a) Une rampe de densité le long de la direction de propagation du laser entraîne une augmentation du facteur de Lorentz relativiste des électrons en raison du rephasage et une augmentation de la fréquence d’oscillation  betatron ωβ. (b) Un fort gradient de densité transversal entraîne un déplacement de l’axe de la cavité dû à la réfraction de l’impulsion laser et une augmentation de l’amplitude d’oscillation rβ. (c) La combinaison des gradients de densité longitudinaux et transversaux augmente simultanément γ, ωβ, et rβ.