Proton acceleratio with ultra-high intensity laser : study and application to isochoric heating
Accélération de protons par laser à ultra-haute intensité : étude et application au chauffage isochore
Résumé
The interaction of ultra-high intensity, ultra-short laser pulses with matter is an interesting source of energetic ions. During this work, we studied the production of energetic protons and their application to isochoric heating using kinetics and hydrodynamics code. We first considered the behavior of the maximum proton kinetic energy with the Target Normal Sheath Acceleration (TNSA) mechanism, in the sub-ps interaction regime, as a function of different parameters, especially the laser pulse duration. We showed that stretching the pulse duration, with a constant laser energy, led to the preheating and the expansion of the plasma slab. This expansion can be beneficial or detrimental regarding the maximum proton kinetic energy. The results we obtained helped to explain an experimental study carried out at the Laboratoire d'Optique Appliquée. We then developed a semi-analytical model trying to describe the maximum proton kinetic energy that can be produced in the TNSA regime. The results we obtained can retrieve the minimum intensity, of the order of 6x1021 W/cm², that is required to reach proton energies of 150 MeV with femtosecond, few joules laser pulses.As a final step, we were interested in the use of these proton beams for isochoric heating. We first characterized the proton distribution function produced by targets consisting in an heavy substrate with an hydrogen is deposited at the rear side. By the mean of hydrodynamics simulations, we studied the characteristic expansion time of the heated target by varying several parameters such as the heated sample distance from the proton source, the intensity and focal spot size of the laser, and the areal density of the dot. Finally, we extended the previous study to cylindrical targets and we demonstrated that it is possible to counterbalance the natural divergence of the proton beam and hence, to reach higher temperatures.
L'interaction d'impulsions lasers brèves et intenses avec un plasma est une source intéressante d'ions énergétiques. Les travaux effectués au cours de cette thèse s'articulent autour de deux grandes thématiques : la production de protons par laser, et leur utilisation pour le chauffage isochore, avec, pour principal outil d'étude, la simulation à l'aide de codes numériques (cinétique particulaire et hydrodynamique). Dans un premier temps, nous avons étudié le comportement de l'énergie cinétique maximale des protons qu'il est possible d'accélérer avec le mécanisme du Target Normal Sheath Acceleration (TNSA), en régime sub-ps, en fonction de différents paramètres, notamment de la durée d'impulsion laser. Nous avons montré que l'allongement de la durée d'impulsion, à énergie laser constante, est responsable du préchauffage et de la détente du plasma avant l'arrivé du pic d'intensité. Les gradients de densité ainsi produits (face avant et face arrière) peuvent favoriser, ou au contraire pénaliser, le gain en énergie cinétique des protons. Les résultats obtenus ont servi à l'interprétation d'une étude expérimentale réalisée au Laboratoire d'Optique Appliquée. Nos efforts se sont ensuite concentrés sur l'élaboration d'un modèle semi-analytique rendant compte de l'énergie cinétique maximale des protons accélérés par le biais du TNSA. Ce modèle permet de retrouver l'ordre de grandeur des intensités nécessaires, de l'ordre de 6x1021 W/cm², pour atteindre des énergies de proton supérieures à 150 MeV avec des impulsions laser de quelques joules et plusieurs dizaines de fs. Dans la dernière partie de cette thèse, nous nous sommes intéressés à l'utilisation de ces faisceaux de protons pour le chauffage isochore. Nous avons caractérisé, dans un premier temps, les fonctions de distribution produites par des cibles composées d'un substrat lourd (A >> 1) sur la face arrière duquel est déposé un plot d'hydrogène (schéma d'Esirkepov). Ensuite, à partir de simulations hydrodynamiques, nous avons étudié le temps caractéristique de détente de la cible chauffée en modifiant des paramètres tels que la distance à la source de protons, l'intensité et la tache focale du laser, et la densité surfacique du plot. Nous avons enfin étendu cette étude aux cibles cylindriques et nous avons montré qu'il est possible de réduire les effets liés à la divergence naturelle du faisceau de protons et ainsi d'obtenir des températures plus élevées.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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