Experimental and numerical investigations on ion acceleration from near-critical gas targets

Abstract

[ES] Las fuentes de iones rápidos generados por láseres intensos son un tema de estudio prometedor para múltiples campos de la investigación. Si bien la aceleración de iones por interacción láser-sólido se ha estudiado exhaustivamente, los plasmas de densidad cuasicrítica (es decir, una densidad de electrones del orden de 1021 cm−3 para una longitud de onda láser de aproximadamente 1 µm) han sido poco discutidos, debido a las dificultades relacionadas con la generación controlada de densidades críticas (a partir de un blanco sólido, líquido o gaseoso). Sin embargo, estos plasmas podrían dar lugar a varios mecanismos de aceleración, como la target normal sheath acceleration o la aceleración por choques electrotáticos no colisionales (collisionless shock acceleration - CSA), así como a la generación de poblaciones de electrones energéticos, llamados superponderomotores. Esta tesis se enmarca en el desarrollo de fuentes de iones producidas por un láser intenso con una alta tasa de repetición (HTR, por sus siglas en inglés), necesaria para la mayoría de las aplicaciones. Las nuevas instalaciones láser con pulsos del orden del femtosegundo producidos cada segundo, y de muy alta potencia (del orden de un petavatio) e intensidad (IL & 1020Wcm−2) como VEGA-3, Apollon, L4 Aton o BELLA, se adaptan perfectamente a este objetivo. Además, las boquillas de gas de tipo choque (shock nozzle) recientemente desarrolladas, conectadas a sistemas de gas de alta presión, se eligen por su compatibilidad con los sistemas láser HTR y debido al fuerte acoplamiento láser-gas al que pueden dar lugar. En primer lugar, se realizó un estudio paramétrico basado en simulaciones 1-D de tipo particle-in-cell (PIC) para comprender la interacción entre un láser intenso y un jet de gas cuasicrítico y no uniforme. Se buscó determinar un conjunto óptimo de parámetros experimentales relacionados con la interacción de un pulso láser λL = 0.8 µm, τL = 100 fs, I = 1020 W/cm2, con un jet de gas cuasicrítico similar al producido por una boquilla de choque no comercial, desarrollada dentro de nuestro grupo de colaboración. Para ello se utilizó el código PIC CALDER desarrollado por el CEA. Los datos experimentales analizados en esta tesis se obtuvieron durante dos campañas en las instalaciones láser VEGA-2 (200 TW) y VEGA-3 (1 PW), en el CLPU, Univ. Salamanca. La primera tenía como objetivo estudiar el potencial de aceleración de iones de un pulso láser ultraintenso con una duración de femtosegundo interactuando con un jet de gas supersónico. La segunda, que constituyó la campaña principal, permitió destacar, a través de medidas de tiempo de vuelo, la aceleración frontal de partículas α de energía ≈0.6 MeV/amu a una tasa de repetición moderada, exhibiendo una energía y una dispersión angular relativamente moderadas. También confirmó la abundante generación de electrones energéticos predicha por simulaciones numéricas, hasta energías de alrededor de 50 MeV. Además, la interferometría reveló la formación de un canal de plasma, que se extendía a ambos lados del pico de densidad del jet de gas. Varias simulaciones en 2-D, realizadas para explicar algunos de estos resultados, están en concordancia cualitativa con las mediciones, lo que permite identificar los mecanismos de aceleración de iones y de electrones, así como describir el fenómeno de formación del canal láser. El trabajo realizado durante la elaboración de esta tesis ha arrojado luz sobre la física de la interacción entre un pulso láser ultraintenso y un gas denso, una configuración aún poco explorada en el régimen de femtosegundo. Al mismo tiempo, se debieron afrontar numerosos retos técnicos, como el desarrollo de una metodología experimental adaptada, así como de un conjunto de diagnósticos compatibles con la operación a alta tasa de repetición. Aunque los rendimientos obtenidos en términos de energía iónica pueden considerarse modestos, son alentadores e invitan a perseverar en esta línea de investigación, teniendo en cuenta que las aplicaciones de la interacción láser-gas son numerosas y van desde la producción de radioisótopos médicos hasta estudios de física fundamental. Desde el punto de vista numérico, nuestro estudio de las condiciones más favorables a la aceleración de iones por choque electrostático mediante un pulso de femtosegundo proporciona condiciones óptimas de la interacción láser-gas para la producción de choques electrostáticos, de tal forma que se dejan claros los objetivos experimentales para trabajos futuros con énfasis en la importancia de mejorar las técnicas de fabricación de las boquillas de gas.

[FR] Les sources d’ions rapides générées par des lasers intenses constituent un sujet d’étude prometteur pour de multiples domaines de la recherche. Alors que l’accélération d’ions par in teraction laser-solide a été étudiée de manière exhaustive, les plasmas de densité quasi critique (soit une densité électronique de l’ordre de 1021 cm−3 pour une longueur d’onde laser d’environ 1 µm) ont été peu abordés, en raison des difficultés liées à la génération contrôlée de densités critiques (à partir d’une cible solide, liquide ou gazeuse). De tels plasmas pourraient cependant donner lieu à plusieurs mécanismes d’accélération, tels que le « target normal sheath accel eration » ou l’accélération par choc non-collisionnel, ainsi qu’à la génération de populations d’électrons chauds dits super-pondéromoteurs. Cette thèsee s’inscrit dans le cadre du développement de sources d’ions produites par un laser intense à haut taux de répétition (HTR), nécessaires aux besoins de la plupart des applications. Les nouvelles installations lasers fs de très haute puissance (de l’ordre du pétawatt) et intensité (IL & 1020Wcm−2 ) comme VEGA-3, Apollon, L4 Aton ou BELLA PW, capables de délivrer une impulsion de quelques fs par seconde, sont ainsi parfaitement adaptées à cet objectif. Par ailleurs, des buses à gaz de type « shock nozzle » nouvellement développées, connectées à des systèmes de gaz à haute pression, sont choisies pour leur compatibilité avec ces HTR et le fort couplage laser-gaz attendu. Une étude paramétrique basée sur des simulations 1-D de type « particle-in-cell » (PIC) a d’abord été effectuée pour comprendre l’interaction entre un laser intense et un jet de gaz quasi critique et non-uniforme. Nous avons ainsi cherché à déterminer un jeu optimal de paramètres expérimentaux concernant l’interaction d’une impulsion laser λL = 0.8 µm, τL = 100 fs, I = 1020 W/cm2 , avec un jet de gaz quasi critique similaire à celui produit par une buse à gaz non commerciale, développée au sein de notre groupe de collaboration. Nous avons utilisé pour cela le code PIC CALDER développé au CEA. Les données expérimentales analysées pendant cette thèse ont été obtenues lors de deux campagnes sur les installations laser VEGA-2 (200 TW) et VEGA-3 (1 PW), au CLPU, Univ. Salamanque. La première visait à étudier le potentiel, en matière d’accélération ionique, d’une impulsion laser fs ultra intense interagissant avec un jet de gaz supersonique. La seconde, qui a constitué la campagne principale de cette thèse, a permis de mettre en évidence, par l’intermédiaire de mesures de temps de vol, l’accélération vers l’avant de particules α d’énergie 0.6 MeV/amu à un taux de répétition modéré, présentant des dispersions en énergie et angulaire relativement modérées. Elle a également confirmé la génération abondante d’électrons chauds telle que prédite par les simulations numériques, jusqu’à des énergies d’environ 50 MeV. Par ailleurs, la formation d’un canal plasma, s’étendant de part et d’autre du pic de densité du gaz, a été révélée par interférométrie. Plusieurs simulations 2-D, effectuées pour expliquer certains de ces résultats, sont en accord qualitatif avec les mesures, permettant d’identifier les mécanismes d’accélération d’ions et d’électrons, ainsi que de décrire le phénomène de formation du canal laser. Le travail effectué lors de cet thèse a permis d’éclairer la physique de l’interaction entre une impulsion laser ultra intense et un gaz dense - une configuration encore peu explorée en régime femtoseconde - mais aussi d’en relever les nombreux défis techniques. Nous avons pu développer une méthodologie expérimentale adaptée ainsi qu’un ensemble de diagnostics compatibles avec un fonctionnement à HTR. Si les performances obtenues en matière d’énergie ionique restent modestes, elles n’en sont pas moins encourageantes et invitent à persévérer car les applications de l’interaction laser-gaz sont nombreuses, allant de la production de radio-isotopes médicaux à des études de physique fondamentale. Du point de vue numérique, notre étude des condi tions les plus propices à l’accélération ionique par choc électrostatique par une impulsion fs donne des conditions optimales d’interaction laser-jet de gaz, propices à la production de chocs électrostatiques, donne des objectifs expérimentaux clairs pour des travaux futurs et souligne l’importance des améliorations à apporter sur le développement de buses à gaz.