Theoretical and numerical study hot plasma expansion as driven by high intensity lasers: high energy ions acceleration.
Etude théorique et numérique de l'expansion d'un plasma crée par laser : accélération d'ions à haute énergie.
Résumé
This PhD dissertation is a theoretical and numerical study on the high energy ion acceleration in laser created plasma expansion. The ion beams produced on the rear side of an irradied foil reveal some characteristics (laminarity, low divergence, wide spectra) which distinguinsh them from the ones coming from the front side. The discovery of these beams has renewed speculation for applications such as protontherapy or proton radiography. The ion acceleration is performed via a self-consistent electrostatic field due to the charge separation between ions and hot electrons. In the first part of this dissertation, we present the fluid theoretical model and the hybrid code which simulates the plasma expansion. The numerical simulation of a recent experience on the dynamic of the electric field by proton radiography validates the theoritical model. The second part deals with the inuence of an initial ion density gradient on the acceleration efficiency. We establish a model which relates the plasma dynamic and more precisely the wavebreaking of the ion flow. The numerical results which predict a strong decrease of the ion maximum energy for large gradient length are in agreement with the experimental data. The Botzmann equilibrium for the electron assumed in the first part has been thrown back into doubt in the third part. We adopt a kinetic description for the electron. The new version of the code can mesure the Boltzmann law deviation which does not strongly modify the maximum energy that can reach the ions.
Cette thèse constitue une étude théorique et numérique sur l'accélération d'ions à haute énergie dans l'expansion d'un plasma créé par laser. Les faisceaux d'ions émis en face arrière d'une cible irradiée présentent des caractéristiques (laminarité, faible divergence, largeur des spectres) qui les distinguent de ceux provenant de la face avant. Ces caractéristiques ouvrent la voie à de nombreuses applications telles que la protonthérapie ou la radiographie de protons. L'accélération des ions s'effectue via un champ électrostatique auto-consistant résultant de la séparation de charges entre les ions et les électrons chauds. La première partie du mémoire présente le modèle théorique fluide ainsi que le code de simulation hybride décrivant l'expansion du plasma. La modélisation numérique d'une récente expérience de sondage du champ d'expansion par faisceaux de protons permet de valider le modèle exposé. L'influence d'un gradient initial de densité sur l'efficacité de l'accélération est abordée dans le seconde partie. Nous établissons un modèle qui retrace la dynamique du plasma et plus particulièrement le déferlement du flot ionique. Les réseaux de courbes qui prévoient une nette dégradation de l'énergie maximale des protons pour de grandes longueurs de gradient sont en accord avec les résultats expérimentaux. L'hypothèse d'un équilibre de Boltzmann électronique, supposé dans le modèle guide, est remise en cause dans la troisième partie où les électrons suivent une description cinétique. La nouvelle version du code permet d'évaluer l'écart à la loi de Boltzmann, qui ne modifie pas cependant de manière significative l'énergie maximale acquise par les ions.
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