Theoretical study of Ultra High Intensity laser-produced high-current relativistic electron beam transport through solid targets

Abstract

Cette thèse porte sur l’étude théorique du transport d’un faisceau intense d’électrons relativistes dans une cible solide. Dans la première partie nous présentons les interprétations théoriques d’une partie des résultats d’une campagne d’expérience portant sur la production et le transport d’électrons relativistes dans une cible d’aluminium. Nous y démontrons la prédominance des effets collectifs sur les effets collisionels dans la première dizaine de microns de propagation grâce à des modèles de transports déjà existant au début de cette thèse. Ces modèles deviennent insuffisants dans le cas du transport de faisceau dans un isolant. Aussi, dans la deuxième partie, nous présentons un modèle de propagation du faisceau d’électrons relativistes dans un diélectrique incluant l’effet de l’ionisation de la cible par le faisceau. Nous y quantifions les pertes d’énergies des électrons en fonction des paramètres du faisceau et du milieu environnant, et nous démontrons l’existence d’un régime de propagation pour lequel les électrons du plasma ne sont pas à l’équilibre thermodynamique local avec les ions. Ces résultats ont été comparés et confirmés avec un code cinétique qui prend en compte l’ionisation par champ électrique et par collisions entre les électrons du plasma et les ions. Nous avons examiné la stabilité du faisceau et montré que ce dernier pouvait exciter deux types d’instabilités transverses sur des longueurs de propagation de l’ordre de 30 à 300 µm en fonction de la taille de la perturbation.

This PhD thesis is a theoretical study of high-current relativistic electron beam transport through solid targets. In the first part, we present an interpretation of a part of experimental results of laser– produced electron beam transport in aluminium foil targets. We have estimated the fast electron beam characteristics and we demonstrated that the collective effects dominate the transport in the first tens of µm of propagation. These quantitative estimates were done with the transport models already existing at the beginning of this thesis. These models are no longer sufficient in the case a fast electron beam propagation in insulator targets. Thus, in the second part, we have developed a propagation model of the beam that includes the effects of electric field ionization and the collisional ionization by the plasma electrons. We present estimates of the electron energy loss induced by the target ionization, and we discuss its dependence on the beam and target parameters. In the case of a relatively low fast electron density, we demonstrated that the beam creates a plasma where the electons are not in a local thermodynamic equilibrium with ions. We have examined the beam stability and we demonstrated that transverse instabilities can be excited by the relativistic electron beam over the propagation distances of 30 − 300 µm depending on the perturbation wavelength.