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Le laser enflamme le plasma chaud

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Lorsque des impulsions lumineuses provenant d'un système laser extrêmement puissant sont déclenchées sur des échantillons de matériau, le champ électrique de la lumière arrache les électrons des noyaux atomiques. Pour des fractions de seconde, un plasma est créé. Les électrons se couplent avec la lumière laser dans le processus, atteignant ainsi presque la vitesse de la lumière. En sortant de l'échantillon de matériau, ils tirent les noyaux atomiques (ions) derrière eux. Afin d'étudier de manière expérimentale ce processus d'accélération complexe, les chercheurs du ont développé un nouveau type de diagnostics pour les accélérateurs de particules innovants à base de laser.

« Notre objectif est un accélérateur ultra-compact pour la thérapie d'ions, à savoir l'irradiation du cancer avec des particules chargées, » explique le physicien. Outre les cliniques, la nouvelle technologie d'accélérateur pourrait également profiter aux universités et aux instituts de recherche. Cependant, beaucoup de travail de recherche et développement est nécessaire avant que la technologie ne soit prête à être utilisée. Le laser atteint actuellement des énergies d’environ 50 mégaélectronvolts. Cependant, 200 à 250 mégaélectronvolts sont nécessaires pour irradier une tumeur avec des protons.

Grâce à ses impulsions ultra-courtes de l'ordre de quelques femtosecondes - une période au cours de laquelle un faisceau de lumière ne traverse qu'une fraction d'un cheveu humain - le laser atteint une puissance de presque un pétawatt. Cela correspond à cent fois la puissance électrique moyenne générée dans le monde.

« Nous devons comprendre beaucoup mieux les processus individuels impliqués dans l'accélération des électrons et des ions », souligne-t-il. Ensemble avec leurs collègues, les chercheurs ont réussi pour la première fois à observer ces processus extrêmement rapides pratiquement en temps réel.

Pour réaliser cet exploit, les scientifiques ont besoin de deux lasers spéciaux en même temps: Le laser haute intensité a une puissance d'environ 40 térawatts, soit environ 25 fois moins. En touchant l'échantillon de matériau (cible), il enflamme le plasma. Le second laser est un laser à rayons X, utilisé pour enregistrer avec précision les processus individuels: de l'ionisation des particules dans la cible et de l'expansion du plasma aux oscillations et instabilités du plasma qui se produisent lorsque les électrons sont chauffés plusieurs millions de degrés Celsius, jusqu’à l’accélération efficace des électrons et des ions.

« En utilisant la méthode de diffusion aux petits angles, nous avons réalisé des mesures dans la plage femtoseconde et à des échelles allant de quelques nanomètres à plusieurs centaines de nanomètres », explique le doctorant, qui a joué un rôle de premier plan dans l'expérience. Plusieurs années de travail ont été nécessaires pour accéder à ces zones et obtenir des signaux nets sur les images diffusées du laser à rayons X.

« Les nouveaux diagnostics pour les accélérateurs laser ont parfaitement confirmé nos attentes en matière de résolution spatiale et temporelle. Nous avons ainsi ouvert la voie à l'observation directe des processus physiques du plasma en temps réel », a déclaré le Dr l'un des participants. groupes de recherche débutants à l’Institute of Radiation Physics.

À partir de 2019, qui est en train de s'installer dans le cadre d'une collaboration internationale autour du laser à rayons X le plus puissant du monde, vous disposerez d'un dispositif expérimental de nouvelle génération doté d'un laser à impulsions courtes beaucoup plus puissant.

Haute densité électronique grâce à la structure des doigts

Pour les physiciens impliqués dans les expériences, un détail spécifique de leurs calculs a été fait pour une révélation particulière. « Nos cibles ont été spécialement développées au Ion Beam Center pour avoir une sorte de minuscule structure de doigts à la surface. Le faisceau laser se disperse sur cette structure, ce qui entraîne un nombre particulièrement élevé d'électrons des angles accélérés et se croisant, » explique

Le fait que ce détail prédit par les calculs puisse être découvert dans l'expérience, qui après tout ne dure que dix femtosecondes, laisse espérer, par exemple, de pouvoir observer d'autres formations de motifs spontanées (instabilités). Celles-ci peuvent être causées, par exemple, par l'oscillation des électrons dans le champ électromagnétique du laser.

Les chercheurs s'intéressent à l'identification des instabilités qui perturbent l'accélération des électrons et des ions - dans le but de les éviter en sélectionnant des cibles appropriées, par exemple. « Cependant, grâce à nos simulations, nous savons également que les instabilités peuvent même augmenter l'efficacité du processus d'accélération », explique le physicien. « Dans nos simulations, nous avons identifié l'instabilité, entre autres. » Le laser optique transfère plus d’énergie dans le plasma qu’il génère. De telles instabilités « positives » pourraient ainsi constituer une vis de réglage importante pour optimiser le processus d'accélération des ions induit par les électrons.

Les scientifiques du laser s'attendent à ce que la nouvelle installation fournisse de nombreuses informations supplémentaires sur l'accélération du plasma. Ce «laboratoire extrême» fournira à l'instrument scientifique à haute densité d'énergie des lasers à haute puissance. « L'impulsion de rayons X, avec laquelle nous allons mesurer les processus dans le plasma, est très courte. Nous prévoyons également d'utiliser des outils de diagnostic supplémentaires afin de pouvoir étudier de manière optimale les oscillations du plasma, par exemple, voir d'autres instabilités dans expérimenter et les générer de manière ciblée », prédit. Les chercheurs souhaitent ainsi se rapprocher progressivement de leur objectif de développer un accélérateur laser ultra-compact pour la protonthérapie du cancer.

Le plus important en bref
À l'aide du laser puissant à électrons libres à rayons X, ils ont pu étudier pour la première fois les processus du plasma à petite échelle de quelques nanomètres et quelques femtosecondes sur lesquels se déroule l'interaction turbulente du laser avec les particules à accélérer , ont franchi une étape décisive vers l’utilisation des accélérateurs de particules à laser de nouvelle génération. À l'avenir, les processus pourraient ainsi être optimisés et les accélérateurs de particules compacts à base de laser pourraient être utilisés, par exemple, pour l'irradiation de tumeurs à l'aide de protons.
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