L' accelerazione plasma-laser è un tema di ricerca finalizzato allo sviluppo di sorgenti di particelle con proprietà uniche. Attualmente, l'accelerazione di particelle è altamente sviluppata sugli acceleratori di particelle convenzionali. Tuttavia, il campo accelerante in queste strutture a radiofrequenza è limitato a valori dell'ordine di 50 MV / m . Per raggiungere energie più elevate, al fine di studiare nuovi fenomeni, gli scienziati sono stati costretti a costruire giganteschi acceleratori (27 km per l' LHC ).
Esistono anche altri metodi per accelerare le particelle, inclusi i meccanismi di accelerazione delle particelle che utilizzano l'interazione di un laser con la materia. Focalizzando un laser ad alta potenza su un target, è possibile creare fasci di particelle con proprietà particolarmente originali (brevità, energia, emittanza, carica). Durante questa interazione del raggio laser con la materia, vengono prodotti campi elettrici estremi. Raggiungendo valori di picco dell'ordine di TV / m , cioè più di 10.000 volte più intensi dei campi elettrici prodotti nelle strutture RF (radiofrequenza) degli acceleratori, le particelle inizialmente a riposo, lasciano il target subendo un'accelerazione fulminea. , dell'ordine di 10 22 g (g = accelerazione di gravità). Queste nuove fonti aprono la strada a molte applicazioni: mediche, nucleari, chimiche e biologiche . Dovrebbero anche rendere possibile lo studio di nuovi fenomeni su scale temporali ultra brevi (100 fs).
Gli esperimenti di interazione laser-plasma accelerano due tipi di particelle: elettroni e protoni.
I fisici americani Tajima e Dawson hanno proposto nel 1979 di utilizzare i plasmi creati dai laser per accelerare le particelle . Nel caso dell'accelerazione elettronica, il bersaglio in cui il laser si propaga è un gas . È preferibile l'uso di un gas leggero (tipicamente elio ) perché così il campo elettrico legato al laser ionizza totalmente gli atomi del gas. La parte intensa del laser si propaga in un mezzo omogeneo composto da elettroni e ioni liberi , con carica complessivamente neutra. Questo si chiama plasma .
Dovrebbe essere chiaro che il laser non accelera direttamente le particelle nella direzione di propagazione dell'impulso luminoso. Gli elettroni, infatti, sono principalmente soggetti al campo elettrico del laser. Nel caso delle onde elettromagnetiche , il campo elettrico è perpendicolare al percorso dell'impulso laser e oscilla alla frequenza del laser. Pertanto, il campo elettrico del laser non contribuisce direttamente all'accelerazione degli elettroni ad alte energie.
D'altra parte, il passaggio dell'impulso laser disturba la densità elettronica. Questa forza legata al laser è chiamata forza ponderomotoria . Corrisponde alla parte a bassa frequenza della variazione dell'intensità del laser. È anche chiamata pressione di radiazione laser. Come risultato di questi spostamenti, la processione di elettroni si riorganizza sotto l'effetto delle repulsioni di Coulomb . Ciò causa oscillazioni nella densità elettronica. Il laser consente quindi di generare un'onda plasma che si propaga nella direzione del laser ad una velocità pari alla velocità di gruppo del laser nel mezzo. Questa onda di plasma corrisponde essenzialmente a campi elettrici longitudinali. Questi campi sono adatti per accelerare gli elettroni ad energie elevate.
In breve, il laser genera un'onda di plasma sulla sua scia in cui è possibile l'accelerazione delle particelle ad energie elevate. Una semplice analogia idrodinamica per comprendere questo meccanismo è questa: immagina una barca che si muove sulla superficie di un lago. Questa barca provoca onde sulla sua scia. Un surfista potrebbe cogliere l'occasione per guadagnare velocità e viaggiare alla velocità dell'onda. In generale, l'accelerazione avviene intrappolando nella struttura dell'onda. In effetti, ci sono condizioni sulla velocità iniziale del surfista perché abbia luogo la cattura. Se non fa alcuno sforzo per prendere l'onda, gli passa sotto e si allontana. Al contrario, se va troppo veloce, supera l'onda.
In termini scientifici, stiamo parlando di potenziali. I calcoli che coinvolgono la trasformazione di Lorentz consentono di determinare il potenziale minimo e massimo in funzione dell'intensità del laser. Questi calcoli vengono eseguiti in geometria 1D assumendo che il campo laser sia sufficientemente debole da eseguire sviluppi limitati.
Poiché la velocità di fase dell'onda plasma è uguale alla velocità di gruppo dell'onda laser, queste velocità sono vicine alla velocità della luce nel vuoto (plasma subcritico). Gli elettroni iniettati ad alta velocità possono così essere intrappolati dall'onda e lì accelerati. L'energia massima degli elettroni è tanto maggiore quanto la velocità delle onde del plasma è alta, cioè quanto la densità elettronica è bassa. A titolo di esempio, per un plasma con una densità di 10 19 / cm 3 e per un'onda di plasma di ampiezza relativa del 100%, il campo elettrico è dell'ordine di 100 GV / m , il che consente di accelerare ad alta energie su piccole distanze (millimetri).
Sono stati proposti diversi metodi per accelerare gli elettroni con il laser. Derivano tutti dal meccanismo sopra descritto. Corrispondono grosso modo ai vari passaggi compiuti in quanto la durata degli impulsi laser è diminuita rispetto alla lunghezza d'onda del plasma. Ecco un riepilogo:
Il battito delle ondeQuesto meccanismo richiede due impulsi laser contro-propaganti di pulsazioni vicine ω1 e ω2, la cui differenza di frequenza è vicina alla frequenza del plasma (ωp ~ ω1-ω2). La sovrapposizione di questi due impulsi laser genera un battito di onde che risuonano con l'onda del plasma. L'ampiezza dell'onda del plasma può raggiungere circa il 30% della densità elettronica iniziale, il che limita il campo di accelerazione a pochi GV / m. Nel 1993, Clayton et al. ha ottenuto un'energia di uscita di 9,1 MeV per gli elettroni iniettati a 2,1 MeV inizialmente in questa onda di plasma. A quel tempo, la durata degli impulsi laser era dell'ordine di 300 ps (larghezza a metà altezza). Esperimenti in questo regime di battito d'onda sono stati effettuati anche all'UCLA (guadagno di energia di 30 MeV), al Politecnico e ad Osaka. I meccanismi fisici che limitano l'ampiezza delle onde di plasma in questo regime sono il movimento degli ioni per impulsi lunghi, lo sfasamento relativistico dell'onda di plasma per intensità relativistiche e la crescita di instabilità.
La scia auto-risonanteLa comparsa di un laser ad alta intensità con una breve durata dell'impulso (500 fs) contenente un'alta energia (100 J) ha dato accesso ai comportamenti non lineari dei plasmi. Gli effetti combinati dell'autofocalizzazione e dell'auto-modulazione dell'involucro laser da parte del disturbo della densità elettronica fanno sì che l'impulso laser venga modulato in una successione di impulsi laser separati dalla lunghezza d'onda del plasma. Si ottengono così impulsi risonanti con l'onda plasma, come nel caso del battito d'onda precedentemente descritto. Sprangle et al , Antonsen et al , Andreev et al hanno studiato teoricamente questo regime. Hanno dimostrato che quando la durata dell'impulso è maggiore del periodo del plasma e quando la potenza del laser supera la potenza critica per l'auto-focalizzazione, un singolo impulso laser si scompone in un treno di impulsi risonanti con il periodo del plasma.
Durante gli esperimenti condotti da Modena et al , l'ampiezza del plasma aumenta fino al limite di rottura, che corrisponde al momento in cui l'ampiezza delle oscillazioni degli elettroni del plasma è così grande che la forza di ripristino non ne compensa più movimento. A questo punto, gli elettroni del plasma vengono automaticamente iniettati nell'onda del plasma e acquisiscono energia cinetica. Possiamo usare l'analogia idrodinamica qui per spiegare questo meccanismo di iniezione: quando un'onda si avvicina alla riva, la sua cresta diventa acuta, l'onda si approfondisce e poi si rompe. La schiuma bianca dell'onda corrisponde alle molecole d'acqua che hanno acquisito velocità. Non è necessaria alcuna iniezione esterna per produrre un fascio di elettroni. Nell'articolo di Modena et al , si ottengono energie che raggiungono i 44 MeV. Questo regime è stato raggiunto anche dai cuos negli Stati Uniti e il NRL . Tuttavia, il riscaldamento del plasma da parte di questi lunghi impulsi laser provoca il picco prima di raggiungere il limite massimo del campo elettrico calcolato per i plasmi freddi. Il campo elettrico raggiunge tipicamente 100 GV / m .
La scia forzataLo sviluppo di laser molto intensi (10 18 W / cm 2 ), molto corti, ha permesso di fare un nuovo passo e di evidenziare un meccanismo di accelerazione più efficiente: la scia forzata. Questi laser, di minore energia, hanno una cadenza di fuoco maggiore (10 colpi / s invece di uno ogni 20 minuti) e quindi permettono di considerare future applicazioni a queste nuove sorgenti.
Qui, le onde vengono amplificate a livelli di ampiezza estremi (regime non lineare) producendo un fascio di elettroni molto corto e molto energico. Non è quindi più necessario iniettare elettroni nel plasma. Sono gli elettroni stessi nel plasma che rimangono intrappolati. In questo regime di impulsi brevi, il riscaldamento del plasma è molto inferiore e le onde possono raggiungere ampiezze maggiori vicine al valore del picco di freddo. Per una densità elettronica di 2 × 10 19 / cm 3 , il campo elettrico in questo regime raggiunge un valore estremo dell'ordine di TV / m. Presso l'Applied Optics Laboratory (LOA), gli elettroni sono stati accelerati a 200 MeV in 2 mm di plasma. Attraverso l'interazione con l'impulso laser ridotto, è stata misurata un'emittanza normalizzata di 3 piedi mm.mrad per gli elettroni a 55 ± 2 MeV, che è paragonabile alle prestazioni degli acceleratori convenzionali.
Fasci di elettroni con spettri maxwelliani, prodotti da raggi ultra corti, sono stati prodotti in molti laboratori in tutto il mondo: a LBNL, NERL e in Europa, ad esempio, a LOA, o a MPQ in Germania.
Regime delle bolleQuest'ultimo termine nasconde una rivoluzione nel campo dell'accelerazione elettronica per interazione laser-plasma: per la prima volta sono stati prodotti fasci di elettroni con uno spettro quasi monoenergetico. Fino ad ora, i fasci di elettroni avevano sempre uno spettro maxwelliano (decadimento esponenziale). La presenza di un elevato picco di energia permette di prevedere una moltitudine di applicazioni perché le sue proprietà sono ottime all'uscita del plasma e rimangono ottime durante la propagazione del fascio. Questo non era il caso di un fascio maxwelliano: il filtraggio da parte di un monocromatore avrebbe ridotto notevolmente il flusso di elettroni ad alta energia, facendo diminuire l'efficienza dell'accelerazione.
In realtà, questi risultati erano stati previsti dalle simulazioni 3D PIC che hanno dato origine a questo nome: Bubble regime. In questo regime, le dimensioni del laser sono inferiori alla lunghezza d'onda del plasma in tutte e tre le direzioni dello spazio. Pertanto, l'impulso laser focalizzato sembra una sfera di luce con un raggio tipico di 10 micron. La forza ponderomotoria di questo impulso è così forte da espellere gli elettroni mentre passa. Dietro l'impulso laser, otteniamo quindi una cavità circondata da una sovra-densità elettronica. Sul retro di questa struttura, gli elettroni vengono iniettati nella cavità e accelerati in questa struttura. Questa cavità attrae gli elettroni perché contiene ioni i cui movimenti sono trascurabili in queste scale temporali . La firma di questo regime è la comparsa di uno spettro di elettroni quasi monoenergetico. Ciò contrasta con i risultati precedenti. Ciò è dovuto alla combinazione di diversi fattori:
Oltre a generare uno spettro quasi monoenergetico di elettroni, il fascio di elettroni prodotto possiede altre qualità che lo rendono interessante per possibili applicazioni. Da un lato, il fascio prodotto è collimato poiché la struttura accelerante formata dalla cavità è focalizzata. D'altra parte, in determinate condizioni, il fascio generato è contenuto all'interno di una "bolla" e quindi la durata dell'impulso elettronico è dell'ordine di pochi femtosecondi .
Diversi laboratori hanno ottenuto fasci di elettroni con poca divergenza e quasi monoenergetici: in Francia, in Inghilterra e negli Stati Uniti, poi in Germania e in Giappone con condizioni sperimentali piuttosto diverse (la durata dell'impulso era maggiore del periodo del plasma). La descrizione di questi risultati viene visualizzata nella sezione successiva.
Il paragrafo precedente ha mostrato le diverse tecniche per produrre un'onda di plasma ad alta ampiezza. Qui siamo interessati ai diversi metodi per iniettare elettroni nell'onda del plasma.
Il primo metodo è l'iniezione aumentando l'onda plasmatica. Nel regime lineare debolmente disturbato, gli elettroni a riposo prima del passaggio dell'onda non accelerano sufficientemente al suo passaggio per rimanere "intrappolati" nell'onda e quindi la lasciano rapidamente senza aver acquisito energia. Tuttavia, quando l'ampiezza dell'onda di plasma è sufficientemente alta, alcuni elettroni nell'onda di plasma saranno sufficientemente accelerati da essere intrappolati all'interno dell'onda dove acquisiranno una grande energia. Questo metodo è molto simile a rompere un'onda nell'oceano.
Un secondo metodo (che è solo una variazione del primo) è il picco rallentando l'onda di plasma in un gradiente di gas. La velocità di gruppo dell'onda di plasma dipende dalla densità del gas e dal gradiente di densità. In un gradiente discendente, l'onda del plasma rallenta, rendendo più facile l'intrappolamento di elettroni. Questo fenomeno promuove quindi il picco dell'onda plasmatica. Questo metodo permette in particolare un miglior controllo della posizione di iniezione degli elettroni, che ha l'effetto di stabilizzare il fascio.
Un terzo metodo consiste nell'utilizzare un gas con un elevato numero di protoni (tipicamente argon o diazoto) per iniettare gli elettroni per ionizzazione. Infatti, in questi gas, gli strati centrali sono ionizzati solo da intensità molto elevate dell'ordine di W / in modo che questi elettroni vengano iniettati solo al centro dell'impulso laser. Questi elettroni vengono generati a riposo appena prima che l'onda passi, il che consente loro di guadagnare abbastanza energia da essere intrappolati.
L'iniezione di ionizzazione può essere controllata con precisione utilizzando due fasci di contro propagazione. Uno, (la pompa) genera l'onda di plasma. Quando questo raggio incontra (collide) con il secondo raggio, allora interferiscono e la loro intensità diventa abbastanza alta da ionizzare gli elettroni del guscio interno.
Nel caso del regime a bolle, gli elettroni vengono autoiniettati dalla struttura fortemente non lineare attorno alla cavità senza che quest'ultima ne sia influenzata. Non è quindi strettamente parlando un'ondata.
In questa sezione vengono descritti solo i risultati recenti. NelSettembre 2004, 3 articoli sono apparsi sulla rivista Nature : sono stati osservati per la prima volta fasci di elettroni prodotti dall'interazione laser-plasma con picchi quasi monoenergetici.
Questi fasci di elettroni corrispondono a correnti di picco molto elevate (tipicamente 10 kA ). La sorgente di elettroni ha dimensioni molto ridotte, equivalenti alle dimensioni di un laser focalizzato (da pochi micron a poche decine di micron in generale, a seconda dell'ottica di focalizzazione utilizzata). La divergenza del fascio di elettroni varia tra 3 mrad e 10 mrad a seconda dell'articolo. Un'altra proprietà essenziale di queste sorgenti è la loro breve durata. La durata del fascio di elettroni è stimata in generale inferiore a 100 fs all'uscita del plasma e sono state misurate durate di 1 fs. Poiché lo spettro è puntato ad alta energia, questi elettroni viaggiano quasi tutti alla stessa velocità e la loro dispersione è bassa. Ad esempio, per la misura effettuata al LOA, la dispersione è stata stimata a 50 fs / m durante la propagazione. Questi pacchetti di elettroni possono quindi sondare fenomeni ultra brevi.
In sintesi, questi impianti laser che funzionano a 10 Hz ora consentono di produrre fasci di elettroni quasi monoenergetici, corti, di piccole dimensioni, di bassa divergenza, di bassa emittanza, di alta carica.
Gli sviluppi attuali mirano ad aumentare ulteriormente l'energia degli elettroni (per superare la barra di 1 GeV), a stabilizzare le proprietà del fascio di elettroni shot-to-shot e a promuovere nuove applicazioni che possono essere previste con sorgenti aventi tali proprietà. La sezione seguente descrive alcune di queste applicazioni.
Al fine di promuovere le varie nuove proprietà di queste sorgenti di elettroni, sono state studiate diverse applicazioni. Gli esempi riportati di seguito sono stati ottenuti presso il LOA :
Insomma, sono già previste applicazioni multidisciplinari. Inoltre danno luogo al deposito di diversi brevetti.