Optimized and applied design of a tunable proton post-acceleration and focusing device for the petal laser.

Lacoste, Clément (2026). Optimized and applied design of a tunable proton post-acceleration and focusing device for the petal laser. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, 186 p.

Prévisualisation

PDF - Version publiée Télécharger (8MB) | Prévisualisation

Résumé

Le premier tube à ondes progressives (TWT, Traveling Wave Tube) a été conçu en 1947. Le concept du TWT consiste à utiliser un faisceau d’électrons incident pour amplifier l’amplitude d’un champ électromagnétique d’entrée par couplage entre le faisceau et un courant se propageant dans une hélice. L’intérêt croissant pour ce système trouve son origine dans le domaine des dispositifs micro-ondes à haute puissance et haute fréquence, tels que les gyrotrons, les tubes à ondes progressives relativistes ou les lasers à électrons libres.

Les applications du TWT incluent les systèmes de communication par satellite, les contre-mesures électroniques ou les systèmes radar, grâce à une large bande passante instantanée, un gain élevé et un faible poids.

D’autre part, l’accélération d’ions par laser est actuellement l’un des domaines de recherche les plus dynamiques en raison de sa compacité et de ses nombreuses applications, telles que le chauffage isochore, la production d’isotopes ou de neutrons, la radiographie plasma et la fusion nucléaire dans un schéma d’allumage rapide. Parmi tous les mécanismes d’accélération d’ions par laser, le Target Normal Sheath Acceleration (TNSA) fait partie des plus robustes, et repose sur l’interaction d’un faisceau laser de haute intensité avec une cible solide d’épaisseur micrométrique. La pré-impulsion du laser crée un plasma sur la cible, et l’impulsion principale accélère les électrons qui, lorsqu’ils sortent de la cible, génèrent une séparation de charges et un champ électrique statique de plusieurs TV/m. Ce champ accélère les protons, présents à la surface de la cible sous forme d’impuretés hydrogénées, à des énergies allant de quelques MeV à plusieurs dizaines de MeV. Cependant, la divergence angulaire de l’accélération par TNSA qui reste encore trop élevée (±20°), et la distribution énergétique des protons qui décroit exponentiellement avec l’énergie, limitent les possibilités d’applications.

Dans ce contexte, l’idée d’implémenter un dispositif (cible hélicoïdale) couplé au TNSA a été proposée pour post-accélérer et focaliser le faisceau de protons. Ce concept consiste à faire propager un courant de décharge, créé lors de l’interaction laser-plasma, dans une hélice. La physique de la propagation du courant dans cette hélice est analogue à celle des systèmes de transmission couplés (comme les TWT). Cependant, compte tenu de l’étendue spectrale de ce courant (impulsion large bande fréquentielle de l’ordre de 10 ps de durée d’impulsion), la dispersion du courant le long de l’hélice est plus importante que dans le cas d’un TWT, ce qui ne permet pas l’obtention d’une post-accélération et d’une focalisation efficace sur toute la longueur de l’hélice, limitant ainsi son champ d’application.

C’est dans ce contexte que ce manuscrit prend place, présentant dans une première partie le modèle analytique développé durant cette thèse ayant pour but de comprendre la physique et d’optimiser les géométries des cibles hélicoïdales. Ensuite, dans une deuxième partie, une expérience sur le laser ALLS, montrant l’impact des cibles hélicoïdales sur les spectres de protons et d’ions carbones, est présentée. Laissant place dans une troisième partie à une étude numérique de l’application des cibles hélicoïdales sur des ions α pour la production de radio-isotopes du scandium pour la médecine.



The first Travelling Wave Tube (TWT) was conceived in 1947. The concept of TWT involves utilizing an incident electron beam to amplify the amplitude of an input electromagnetic field through coupling between the beam and a current propagating in a helix. The growing interest of this system takes source with the domain of high power and high frequency microwave devices such as the gyrotrons, the relativistic travelling wave tubes or the free-electron lasers. Applications of TWT include satellite communication systems, and electronic countermeasures or radar systems permitted by a wide instantaneous bandwidth, high gain and light weight.

On the other hand, laser-driven ion acceleration is currently one of the most dynamic research domains due to its compactness and numerous applications such as isochoric heating, isotope or neutron production, plasma radiography, and nuclear fusion in a fast ignition scheme. Among all laser ion acceleration mechanisms, Target Normal Sheath Acceleration (TNSA) is one of the most robust. It relies on the interaction of a high-intensity laser pulse with a solid target of micrometric thickness. The laser’s pre-pulse creates a plasma on the target surface, and the main pulse accelerates electrons that propagate through the target. When these electrons exit the target, they generate a charge separation and a static electric field of several TV/m. This field accelerates protons—present on the target surface as hydrogenated impurities—to energies ranging from a few MeV to several tens of MeV. However, the angular divergence of TNSA acceleration, which remains relatively high (around ±20◦), and the exponential energy distribution of the protons with energy, limit its potential for applications.

In this context, the idea of implementing a device coupled with TNSA has been proposed to post-accelerate and focus the proton beam. This concept, known as the helical coil, consists of guiding a discharge current, generated during the laser-plasma interaction, along a helical coil. The physics of current propagation in this coil is analogous to that of coupled transmission systems, such as traveling-wave tubes (TWTs). However, due to the broadband nature of the current pulse (with a spectral width corresponding to a duration of approximately 10 ps), dispersion along the coil becomes significant, which prevents efficient post-acceleration and focusing over the entire length of the helix, thereby limiting the range of potential applications.

It is within this framework that the present manuscript is situated. The first part presents the analytical model developed during this thesis, aimed to understand the underlying physics and optimizing the geometry of the helical targets. The second part describes an experiment carried out on the ALLS laser facility, highlighting the impact of the helical targets on the spectra of protons and carbon ions. Finally, the third part is devoted to a numerical study of the application of helical targets to α-particles for the production of scandium radioisotopes intended for medical use.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Antici, Patrizioet D'humières, Emmanuel
Mots-clés libres:	Cible hélicoïdale ; TNSA ; Traveling Wave Tube ; accélération de protons ; accélération d’ions lourds ; Helical coil ; TNSA ; Traveling Wave Tube ; proton acceleration ; heavy ions acceleration
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	27 mai 2026 19:43
Dernière modification:	27 mai 2026 19:43
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/17215

Gestion Actions (Identification requise)

Modifier la notice