mardi 3 avril 2012

faisceau laser sur un jet de gaz d'hélium


Au cours d'une récente expérience, publiée dans la revue américaine Science, les chercheurs de l'équipe “Sources de particules produites par laser ”dirigée par Victor Malka au sein du Laboratoire d'optique appliquée (LOA) (1) ont mis en lumière un nouveau mécanisme très efficace pour la production d'une source énergétique d'électrons à l'aide de lasers compacts. Leurs travaux ont été menés avec des chercheurs français du CEA, du Centre d'études nucléaires de Bordeaux Gradignan (CENBG) (2) ainsi que des britanniques de l'Imperial College. Ils ont permis d'accélérer des électrons de 0 à 200 MeV (3) en 1 mm. Les faisceaux de particules (4) ainsi crées ont des propriétés particulièrement intéressantes (brièveté, énergie, émittance, charge).

Pour étudier les constituants de la matière et leurs interactions, les physiciens des particules accélèrent des particules à de très grandes énergies. Ceci est réalisé dans des accélérateurs, à l'aide de champs électriques, dont l'amplitude est limitée par des phénomènes de claquages, à environ quelques dizaines de MeV par mètre. Pour atteindre les énergies requises, les longueurs accélératrices sont alors gigantesques : de l'ordre de plusieurs kilomètres, voire de quelques dizaines de kilomètres. Un plasma, à l'inverse,  qui est un milieu ionisé, peut supporter des champs électriques de plusieurs centaines de GV/m (5), soit plus de 10 000 fois plus élevés que ceux des accélérateurs classiques. La longueur nécessaire pour obtenir un gain d'énergie donnée est donc réduite dans les mêmes proportions : des électrons peuvent ainsi se trouver accélérés à plusieurs centaines de MeV sur des distances millimétriques ! Les expériences réalisées au LOA ont utilisé un laser Titane-Saphir, qui produit des impulsions d'un joule en 30 femtosecondes à la longueur d'onde Lambda = 0.82 micromètre, atteignant ainsi une puissance de 30 TW et une intensité sur cible de 2 x 1018W/cm2. La forte cadence de tirs (10 tirs par seconde) et la qualité optique de cette installation ont permis de bien caractériser et optimiser ces faisceaux d'électrons dont la charge totale atteint quelques nanocoulombs. C'est en focalisant le faisceau laser sur un jet de gaz d'hélium que des ondes électrostatiques de fortes amplitudes ont été excitées à des niveaux tels que les électrons du plasma ont été accélérés jusqu'à 200 MeV.

Schéma de principe de l'expérience (8)

(8) Le faisceau laser (en bleu) est focalisé par une parabole hors axe (jaune) sur un jet de gaz (gris) de 2 millimètres de long, il en résulte la production la faisceau d'électrons ultra-bref, collimaté et énergétique.

( source : CNRS )

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