Plasma Channel Characterisation and Particle-in-Cell Modelling of Discharge-Capillary Targets for Laser-Plasma Accelerators.

Imaginez un monde où les machines massives, de la taille d'une pièce, utilisées pour accélérer des particules à des vitesses incroyables, pourraient être réduites à la taille d'une table de cuisine. C'est la promesse des accélérateurs laser-plasma, une technologie qui utilise des bouffées de lumière intense pour créer un sillage dans un gaz, tout comme un bateau crée un sillage dans l'eau, puis chevauche cette vague pour propulser les électrons à des énergies élevées. Bien que les scientifiques aient déjà démontré que ces minuscules accélérateurs peuvent atteindre des énergies comparables à celles de leurs homologues géants, un obstacle majeur subsiste : les rendre assez fiables pour tirer des centaines de fois par seconde sans échouer. Pour la prochaine génération de machines compactes qui pourraient alimenter des outils médicaux avancés ou créer une lumière ultra-brillante pour l'imagerie, l'accélérateur ne doit pas seulement fonctionner une fois, mais fonctionner parfaitement chaque fois qu'il est déclenché.

Pour résoudre ce problème, des chercheurs de l'Infrastructure Lumière Extrême en République tchèque ont testé une méthode spécifique pour créer la « route » sur laquelle ces électrons voyagent. Au lieu de simplement bombarder un nuage de gaz avec un laser en espérant le meilleur, ils utilisent un minuscule tube creux en saphir, rempli de gaz d'hydrogène. En envoyant une étincelle électrique puissante à travers ce tube, ils transforment le gaz en un canal de plasma qui agit comme un câble à fibre optique pour la lumière du laser. Ce canal préformé guide l'impulsion laser, maintenant sa focalisation sur une distance plus longue et garantissant que le transfert d'énergie est efficace. L'objectif de l'équipe était de comprendre exactement à quoi ressemble ce canal de plasma à l'intérieur du tube et de voir s'il pouvait produire de manière fiable les faisceaux d'électrons de haute qualité nécessaires aux applications futures.

Les chercheurs ont mis en place une expérience utilisant un tube capillaire de saphir de 15 millimètres de long avec une section transversale carrée. Ils ont injecté de l'hydrogène dans le tube à un débit contrôlé, puis ont déclenché une décharge électrique à haute tension à travers les extrémités du tube. Cette décharge a duré environ 300 nanosecondes et a généré un courant de crête d'environ 300 ampères. Pour observer ce qui se passait à l'intérieur, ils ont utilisé une caméra spécialisée et un spectromètre pour observer la lumière émise par le plasma. En analysant la façon dont les raies spectrales de l'hydrogène s'élargissaient, ils ont pu calculer la densité d'électrons à différents points le long du tube et à différents moments. Ils ont testé deux débits de gaz différents, constatant qu'un débit plus élevé créait un plasma plus dense mais introduisait également plus d'instabilité, tandis qu'un débit plus faible produisait un canal plus stable, bien que légèrement moins dense.

Les mesures ont révélé que la densité du plasma n'était pas uniforme dans tout le tube. Les densités les plus élevées, atteignant jusqu'à 2,4 x 10^18 par centimètre cube, ont été trouvées dans la section centrale du tube, couvrant environ 60 % de sa longueur. Cette région centrale est cruciale car c'est là que le laser doit être guidé pour accélérer efficacement les électrons. L'équipe a également découvert que le timing était primordial ; l'impulsion laser devait arriver à la cible dans une fenêtre très étroite de moins de 80 nanosecondes après le pic de la décharge électrique. Si le laser arrivait trop tard, la densité du plasma chutait considérablement, ruinant les conditions nécessaires à l'accélération. Cette découverte souligne la nécessité d'une synchronisation extrêmement précise entre l'étincelle électrique et l'impulsion laser.

Pour comprendre comment ces conditions de plasma affecteraient un véritable faisceau laser, les chercheurs ont réalisé des simulations informatiques détaillées en utilisant une méthode appelée modélisation particule-dans-cellule. Ils ont injecté dans la simulation les profils de densité réels mesurés lors de l'expérience, ainsi que les paramètres d'un système laser puissant actuellement en cours de développement. Les simulations ont testé deux scénarios différents : un où le faisceau laser était parfaitement dimensionné pour correspondre au canal de plasma, et un autre où il ne l'était pas. Lorsque le laser était correctement adapté au canal, il restait focalisé pendant son trajet à travers le plasma, agissant exactement comme prévu. Dans ce scénario guidé, la simulation a montré que le système pouvait produire un faisceau d'électrons avec une énergie moyenne de 670 millions d'électron-volts, une charge de 30 picocoulombs et une dispersion d'énergie relativement serrée.

Cependant, lorsque le laser n'était pas adapté au canal, les résultats étaient très différents. Le faisceau laser se focalisait et se défocalisait de manière chaotique au fur et à mesure de son mouvement à travers le plasma, un processus connu sous le nom d'autofocalisation. Dans cet état non guidé, le faisceau d'électrons résultant avait une énergie moyenne beaucoup plus faible, d'environ 302 millions d'électron-volts, et une dispersion d'énergie très large, le rendant beaucoup moins utile pour des applications de précision. Bien que le faisceau non guidé transportât une charge totale légèrement plus élevée, sa mauvaise qualité et sa grande dispersion d'énergie signifiaient qu'il serait difficile de l'utiliser pour créer la lumière nette et focalisée nécessaire à l'imagerie avancée ou aux lasers à électrons libres. Les simulations ont confirmé que sans les conditions de guidage appropriées fournies par le canal de plasma, l'accélérateur ne peut tout simplement pas produire les faisceaux de haute qualité requis pour la prochaine génération de sources de lumière compactes.

L'étude conclut que bien que la cible à capillaire par décharge soit une étape prometteuse, du travail reste à faire pour perfectionner le système. La configuration actuelle produit une région de haute densité stable, mais elle ne couvre qu'une partie du tube, ce qui suggère que des capillaires plus longs pourraient être nécessaires pour exploiter pleinement le potentiel d'accélération. De plus, la dispersion d'énergie des faisceaux d'électrons, bien que bonne, n'est pas encore assez faible pour les applications les plus exigeantes, telles que l'alimentation d'un laser à électrons libres. Les chercheurs prévoient de continuer à affiner la conception, potentiellement en ajustant la pression du gaz ou la forme du capillaire, afin de créer des canaux de plasma encore meilleurs. Leur travail offre une feuille de route claire sur la manière de construire des accélérateurs plus fiables, à taux de répétition plus élevé, rapprochant ainsi le rêve de machines à particules compactes et à haute énergie de la réalité.