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Accélération d’électrons par champ direct.

Lachapelle, Amélie (2015). Accélération d’électrons par champ direct. Mémoire. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de l'énergie et des matériaux, 154 p.

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Résumé

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Les paquets d’électrons d’énergie élevée sont utilisés dans des techniques de type pompe-sonde pour sonder des évènements ultrarapides tels que la transition de phase dans un solide par diffraction d’électrons. Pour sonder des évènements ultrarapides, les paquets d’électrons doivent être de courte durée. Jusqu’à maintenant, les plus courts faisceaux d’électrons, produits et mesurés, ont une durée de l’ordre de la femtoseconde. On suggère d’utiliser l’accélération d’électrons par champ direct du laser. Théoriquement, dans un régime d’accélération ultra-relativiste, il a été prédit que des faisceaux d’électrons accélérés par champ direct pourraient atteindre une durée de quelques dizaines d’attosecondes, ils seraient quasi monoénergétiques et l’énergie des électrons pourrait atteindre l’ordre du GeV. Pour obtenir ces caractéristiques, un faisceau laser de mode TM01 avec une intensité supérieure à 1019 W/cm2 doit être fortement focalisé. Ainsi, il y a un champ électrique longitudinal qui est généré et avec lequel les électrons sont accélérés. Dans ce mémoire, pour atteindre le régime ultra-relativiste, on a exploré à haute intensité laser le mécanisme d’accélération par champ direct. Pour ce faire, nous avons adapté le montage expérimental avec lequel le principe de l’accélération par champ direct a été démontré à l’INRS à faible intensité laser. Une analyse critique de la méthodologie et des outils est réalisée afin de s’assurer que les conditions expérimentales sont adéquates. Notamment, la distorsion du front d’onde induite par les effets non linéaires lors de la propagation du laser est évaluée par l’intégrale B. On a démontré l’augmentation de l’efficacité de l’accélération par champ longitudinal qui est responsable de l’accélération par champ direct. On a aussi démontré que ce champ est essentiellement responsable des électrons énergétiques (0.3 à 2.5 MeV). À une intensité de 1019 W/cm2, le signal des électrons accélérés avec un laser de mode TM01 (présence de champ longitudinal) est 3.5 fois plus grand que lorsqu’un laser de mode TE01 (absence de champ longitudinal) est utilisé. Lorsque l’intensité augmente, on a observé une compétition entre les différents mécanismes d’accélération qui sont présents dans le grand volume ionisé et qui contribuent au signal. Des solutions sont proposées et analysées pour améliorer la qualité des paquets d'électrons générés telles que fixer la phase de l’onde porteuse et optimiser les paramètres de focalisation du laser.

Abstract

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High energy electron bunches could be used in pomp-probe experiments to probe ultrafast events such as the phase transition in a solid by electron diffraction. To probe ultrafast events, short electron bunches are needed. Up to now, the shortest electron bunches that have been produced and measured have a duration of few femtoseconds. We suggest the use of direct laser field electron acceleration. Theoretically, it has been predicted that the electron bunches accelerated by direct acceleration in an ultra relativistic acceleration regime will have a duration as short as few tens of attoseconds. Also, the electron beam would be quasi-monoenergetic and the electrons would reach energies up to the GeV. To produce an electron beam with such a short duration, a tightly focused TM01-mode laser with an intensity higher than 1019 W/cm2 is required. Therefore, a strong longitudinal electric field is generated and by which the electrons are accelerated. In this work, to reach ultra relativistic regime, we explore the mechanism of direct acceleration at high laser intensity. To do so, we adapted an experimental setup which has been developed at INRS to prove the concept of direct laser field acceleration at low laser intensity. A critical analysis of the methodology and the tools was done in order to make sure that the experimental conditions were suitable. Especially, the distortion of the wavefront due to the non-linear effect during the laser propagation was evaluated with the B integral. We have experimentally demonstrated an increase of the efficiency of the acceleration by the longitudinal field, which is responsible for the direct acceleration. Also, we have demonstrated that this field is primarily responsible for the high energy electrons (0.3 to 2.5 MeV). When accelerated by a TM01-mode laser (with longitudinal field) the electrons’ signal is 3.5 times higher than the signal generated by a TE01-mode laser (without longitudinal field) for a laser intensity of 1019 W/cm2. We observed a competition between the different mechanisms that are present in the large ionised volume and which contribute to the measured signal when the intensity is increased. Solutions are proposed and analysed to improve the quality of the electron bunches such as to fix the carrier phase and to optimize the laser focusing parameters.

Type de document: Mémoire
Directeur de mémoire/thèse: Kieffer, Jean-Claude
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: mode TM01; polarisation radiale; accélération d’électrons; faisceaux d’électrons; champ électrique longitudinal; régime d’accélération ultra-relativiste
Centre: Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt: 13 nov. 2015 21:00
Dernière modification: 28 juin 2016 20:59
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/2805

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