Accélération laser-plasma à ultra haute intensité - modélisation numérique

Abstract

Avec les dernières augmentations de l'intensité maximale de laser réalisable grâce à de courtes impulsions à haute puissance (gamme femtoseconde) un intérêt a surgi dans les sources de plasma laser potentiels. Les lasers sont utilisés en radiographie proton, allumage rapide, hadronthérapie, la production de radioisotopes et de laboratoire astrophysique. Au cours de l'interaction laser-cible, les ions sont accélérés par des processus physiques différents, en fonction de la zone de la cible. Tous ces mécanismes ont un point commun: les ions sont accélérés par des champs électriques intenses, qui se produisent en raison de la séparation de forte charge induite par l'interaction de l'impulsion laser avec la cible, directement ou indirectement. Deux principales sources distinctes pour le déplacement de charge peuvent être mis en évidence. Le premier est le gradient de charge provoquée par l'action directe de la force ponderomotive de laser sur les électrons dans la surface avant de la cible, qui est la prémisse pour le processus d'accélération des radiations de pression (RPA). Une deuxième source peut être identifiée comme provenant du rayonnement laser qui est transformée en énergie cinétique d'une population d'électrons relativistes chaud (~ quelques MeV). Les électrons chauds se déplacent et font recirculer à travers la cible et forment un nuage d'électrons relativistes à la sortie de la cible dans le vide. Ce nuage, qui se prolonge pour plusieurs longueurs de Debye, crée un champ électrique extrêmement intense longitudinal, la plupart du temps dirigé le long de la surface normale, ce qui, par conséquent, est la cause de l'accélération d'ions efficace, qui conduit à l'accélération cible normale gaine (TNSA) processus . Le mécanisme TNSA permet d'utiliser des géométries différentes cibles afin de parvenir à une meilleure focalisation des faisceaux de particules de l'ordre de plusieurs dizaines de microns, avec des densités d'énergie élevées. Les électrons chauds sont produits par l'irradiation d'une feuille solide avec une impulsion laser intense; ces électrons sont transportés à travers la cible, la formation d'un champ électrostatique fort, normal à la surface cible. Protons et les ions chargés positivement de la surface arrière de la cible sont accélérés par ce domaine jusqu'à ce que la charge de l'électron est compensée. La densité d'électrons chauds et la température dans le vide arrière dépendent des propriétés géométriques et de composition cibles tels que la courbure de la cible, les structures de mise au point d'impulsion et de microstructure pour l'accélération de protons améliorée. Au cours de ma première année, j'ai étudié les effets de la géométrie de la cible sur le proton et l'ion énergie et la distribution angulaire afin d'optimiser les faisceaux de particules laser accéléré au moyen de deux dimensions (2D) particule-in-cell (PIC) simulations de l'interaction de l'ultra-court impulsions laser avec plusieurs cibles microstructurées. Également au cours de cette année, je l'ai étudié la théorie derrière les modèles utilisés.