Contexte :
L’accélération de particules est l’une des applications majeures des lasers à ultra-haute intensité (UHI). La conception de sources particulaires d’énergie et flux croissants motive l’exploration de scénarios d’interaction originaux, tirant parti des dernières avancées en matière de systèmes laser. Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre des efforts menés au CELIA sur la génération d’intenses champs magnétostatiques (~100 – 1000T) à l’aide de lasers de puissance, ainsi que des études théoriques menées de longue date au CEA/DAM sur l’accélération de particules par laser UHI, et leur transport dans la matière. L’avènement d’une nouvelle génération d’installations laser de classe PW en Europe (Vega, PHELIX, LMJ/PETAL, Apollon…) rend possible des expériences inédites couplant ces différents aspects.
Objectif de la thèse :
Le sujet de thèse proposé vise à étudier – expérimentalement et numériquement – la production par laser UHI de faisceaux d’ions à partir de cibles gazeuses proches du seuil de transparence ou de cibles solides soumises à un important champ magnétique externe, également créé par laser. Deux thématiques seront essentiellement explorées :
– L’accélération ionique dans des plasmas quasi transparents, produits au moyen de lasers UHI focalisés dans un jet de gaz supersonique de profil ajustable (densité ~1016-21cm-3, longueur ~0,1 – 1mm), récemment acquis par le CELIA. Ces conditions d’interaction sont particulièrement adaptées à des lasers à taux de répétition élevé et, d’après les simulations numériques, favorables à un chauffage du plasma à la fois volumique et relativiste. Les gradients de pression résultant des inhomogénéités du gaz et du laser peuvent alors engendrer des ondes de choc électrostatiques, accélérant les ions jusqu’à des énergies de plusieurs dizaines de MeV. Les propriétés de l’interaction et des ions accélérés seront étudiées en fonction des paramètres du laser (intensité, durée) et du plasma (densité, gradients…).
– L’interaction laser-solide en présence d’un champ magnétique externe. L’idée est d’induire un fort champ magnétique dans un échantillon solide micrométrique à l’aide d’une bobine de Helmholtz déclenchée par laser. Le champ magnétique sera polarisé parallèlement à la direction de propagation d’un laser UHI ps afin de confiner radialement les électrons chauds issus de l’interaction. Ce confinement, déjà démontré expérimentalement, aura pour effet de maintenir sur une longue durée le champ électrostatique créé en face arrière par les électrons chauds et responsable de l’accélération ionique dans les cibles solides. Il pourrait également servir à accroître le chauffage isochore de la cible au voisinage de l’axer laser.
Déroulement de la thèse :
Le travail de thèse, essentiellement de nature expérimentale, comprendra également une composante numérique. Le doctorant, basé au CELIA (Bordeaux), contribuera activement à la conception, la réalisation et l’analyse des expériences. Les simulations numériques seront réalisées au moyen du code particle-incell CALDER développé au CEA/DAM (Arpajon). Le candidat devra avoir suivi une formation en physique (idéalement en physique des plasmas) ainsi qu’en calcul scientifique.
Directeur de thèse et école doctorale :
Joao Jorge SANTOS, CELIA – ED des Sciences Physiques et de l’Ingénieur – ED 209 – Université de Bordeaux I
Contact :
Laurent GREMILLET – CEA/DIF – Bruyères-le-Châtel – 91297 Arpajon – 01 69 26 40 00