Développement d'un injecteur pour l'accélération laser plasma multi-étages

L’acceleration laser plasma (ALP) est un mecanisme d’acceleration de particules reposant sur l’interaction d’impulsions laser ultra-intenses, de l’ordre de quelques 10^{18} W/cm², avec un plasma. L’onde plasma generee dans le sillage de l’impulsion laser est associee a des champs electriques de grande amplitude (1 − 100 GV/m). Ces champs electriques de trois ordres de grandeurs superieurs aux champs maximums supportes dans les cavites radiofrequences des accelerateurs conventionnels constituent le principal point fort de l’ALP, permettant d’envisager des accelerateurs de particules plus compacts. Un important travail pour ameliorer les proprietes des paquets d’electrons generes par ALP, leur stabilite et la cadence de tir est cependant necessaire pour rendre l’ALP competitive en termes d’applications.Un moyen d’ameliorer les proprietes des faisceaux d’electrons consiste a les accelerer dans un regime faiblement non lineaire en plusieurs etapes successives : l’ALP multi-etages. La source laser-plasma d’electrons, ou injecteur, doit generer des paquets d’electrons d’energie modeste (50 − 100 MeV), de charge la plus importante possible, de faible dimension et de faible divergence. Les electrons doivent alors etre injectes dans un second etage purement accelerateur dont l’objectif est d’augmenter leur energie cinetique.L’objet de cette these est le developpement d’un injecteur laser plasma pour l’ALP multi-etages. Dans le cadre d’une collaboration autour de l’equipex CILEX et du programme d’ALP a deux etages, un prototype d’injecteur a ete construit, ELISA, reposant sur une cellule de gaz de longueur variable. La densite electronique du plasma, qui est un parametre crucial pour le controle du faisceau d’electrons, a ete caracterisee a la fois experimentalement et numeriquement. ELISA a ete utilisee sur deux installations laser differentes, et les mecanismes physiques determinant les parametres des paquets d’electrons produits par ELISA ont ete etudies en fonction des nombreux parametres experimentaux. Une gamme de parametres pertinents pour un injecteur laser plasma a ete determinee.Une ligne de transport et diagnostic magnetique a egalement ete construite, implantee et testee sur l’installation UHI100 du CEA Saclay, permettant a la fois de caracteriser plus finement les proprietes des paquets d’electrons generes par ELISA, mais aussi d’evaluer la qualite des paquets d’electrons transportes pour l’injection dans un second etage.