Nuclear reactions initiated by laser-accelerated protons
Initiation de réactions nucléaires par des protons accélérés par laser
Résumé
The recent development of high-intensity laser beams has stimulated the advent of many schemes to produce nuclear reactions by laser. Laser pulses with intensity higher than 1018 W.cm-2 can particularly be used to accelerate proton and ion beams with interesting characteristics such as a broad spectrum, a short duration (~ 10ps), a large number of particles per picosecond and a high energy cut-off, up to tens MeV. Thus, nuclear reactions with resonances close to hundreds keV can be initiated, such as the p-11B fusion reaction which releases 8.7MeV and three alpha particles, or, such as threshold reactions with produce positron emitters, used in nuclear medicine. This thesis was dedicated to the development of an experimental platform at the ELFIE laser facility, at LULI (Ecole Polytechnique, France) to study the production of nuclear reactions using the following scheme: a proton beam is accelerated by the TNSA mechanism on a first target, and sent into a boron target to induce nuclear reactions. A second laser beam can be used to ionize and heat the boron target. A set of complementary diagnostics has been developed to measure and characterize the reaction products. Several parameters such as the proton flux, the proton spectrum, the boron target state (solid or plasma) and its composition were studied in order to identify the physics parameters that optimize the number of reactions. The understanding of the physics that govern the production of reactions in this scheme is necessary to consider applications in medicine or in fusion schemes, to produce energy.
L’avènement des lasers de forte intensité ouvre une nouvelle voie pour la production de réactions nucléaires par laser. En particulier, les impulsions d’intensités supérieures à 10^18 W.cm-2 permettent d’accélérer des faisceaux de protons, et d’ions, caractérisés par un large spectre, une courte durée d’impulsion de l’ordre de la dizaine de picoseconde, un flux (nombre de particules par unité de temps) supérieur de plusieurs ordres de grandeurs aux flux obtenus dans les accélérateurs classiques et des énergies allant jusqu’à plusieurs dizaines de MeV. De telles énergies permettent d’initier des réactions nucléaires ayant des résonances autour de la centaine de keV, telles que la réaction de fusion p-11B qui libère trois particules alpha et ~8,7 MeV, ou encore des réactions à seuil qui produisent des radio-isotopes, utiles pour la médecine nucléaire. Cette thèse a été dédiée au développement d’une plateforme expérimentale sur l’installation laser ELFIE, du LULI (Ecole Polytechnique, France) pour étudier la production de réactions nucléaires dans le cadre du schéma laser suivant : un faisceau de protons est accéléré par laser sur une première cible, par mécanisme TNSA, puis une cible de bore est irradiée par ces protons pour produire les réactions nucléaires. Un second faisceau laser peut être déclenché pour ioniser la cible de bore. Un ensemble de diagnostics complémentaires a été développé pour mesurer et caractériser les produits de réactions. Différents paramètres tels que le flux de protons, le spectre de protons, l’état de la cible de bore (solide ou plasma) ou sa composition, ont été testés afin d’identifier les paramètres physiques qui permettent d’optimiser le nombre de réactions. La compréhension de la physique qui régit la production des réactions nucléaires dans ces conditions est indispensable pour envisager des applications en médecine, ou dans des schémas de fusion pour produire de l’énergie.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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