Les accélérateurs laser-plasma représentent une technologie innovante dans le domaine de la physique des particules. Ces dispositifs compacts ouvrent de nouvelles possibilités pour la recherche scientifique et le développement d’applications médicales et industrielles.
Les accélérateurs laser-plasma se distinguent par leur taille réduite comparée aux installations conventionnelles. Alors que ces dernières peuvent s’étendre sur plusieurs kilomètres, les accélérateurs laser-plasma ne nécessitent que quelques centimètres pour accélérer des particules.
Le principe de fonctionnement repose sur l’utilisation d’impulsions laser intenses projetées dans un gaz. L’énergie du laser ionise le gaz, créant un plasma composé d’électrons et d’ions. La force du champ électromagnétique généré propulse les électrons à des vitesses proches de celle de la lumière.
Cette technologie offre des perspectives intéressantes pour la conception de sources de rayons X compactes. Des laboratoires universitaires pourraient ainsi héberger des équipements auparavant réservés aux grandes infrastructures de recherche.
Des défis techniques à relever
Malgré les avantages prometteurs des accélérateurs laser-plasma, plusieurs obstacles techniques doivent être surmontés. La production de faisceaux d’électrons stables et homogènes constitue l’un des principaux enjeux.
Le Dr Arie Irman, physicien à l’Institut de physique des rayonnements du HZDR, a expliqué : «Nous devons améliorer la qualité et la stabilité des paquets d’électrons accélérés et minimiser la distribution de l’énergie des électrons au sein des paquets.»
La mise au point de nouvelles méthodes de diagnostic s’avère également essentielle pour étudier plus précisément les processus à l’œuvre dans un accélérateur laser-plasma.
Une nouvelle méthode de mesure innovante
Une équipe de chercheurs du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) a développé une technique de mesure novatrice pour analyser en détail les paquets d’électrons ultra-courts générés par les accélérateurs laser-plasma.
Le Dr Maxwell LaBerge, postdoctorant au HZDR, a décrit le principe de cette méthode : «Nous projetons les paquets d’électrons, presque à la vitesse de la lumière, depuis l’accélérateur plasma sur une fine feuille métallique. Cela met en mouvement les électrons à la surface de la feuille.»
Ce phénomène produit un signal détectable par des capteurs, permettant de reconstruire précisément la structure des paquets d’électrons. Cette technique, appelée Rayonnement de Transition Optique Cohérent (COTR), offre de nouvelles perspectives pour l’optimisation des accélérateurs laser-plasma.
Des applications prometteuses
Les accélérateurs laser-plasma présentent un intérêt particulier pour le développement de lasers à électrons libres (FEL). Ces dispositifs génèrent des flashs de rayons X ou UV intenses, utiles pour étudier des processus chimiques ultrarapides.
Actuellement, les FEL reposent sur des accélérateurs linéaires conventionnels de grande taille. L’utilisation d’accélérateurs laser-plasma permettrait de concevoir des installations plus compactes et moins coûteuses, rendant cette technologie accessible à un plus grand nombre d’équipes de recherche.
Trois groupes de chercheurs ont déjà démontré la faisabilité d’un FEL basé sur des accélérateurs plasma : une équipe à Shanghai, un groupe à Frascati près de Rome, et une équipe dirigée par le Dr Arie Irman au HZDR.
Légende illustration : Un faisceau structuré de faisceaux d’électrons (groupe modulé de sphères blanches) traverse une feuille métallique de gauche à droite, créant un rayonnement de transition optique cohérent (COTR). Ce rayonnement encode des informations uniques sur la structure du faisceau à chaque longueur d’onde, comme le montrent les différents motifs de rayonnement rouge, jaune et bleu. Crédit : HZDR / Blaurock
Article : ‘Revealing the 3D structure of microbunched plasma-wakefield-accelerated electron beams’ / ( 10.1038/s41566-024-01475-2 ) – Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf – Publication dans la revue Nature Photonics
