Le premier tube à ondes progressives (TWT, Traveling Wave Tube) a été conçu en 1947. Le concept du TWT consiste à utiliser un faisceau d’électrons incident pour ampliőer l’amplitude d’un champ électromagnétique d’entrée par couplage entre le faisceau et un courant se propageant dans une hélice. L’intérêt croissant pour ce système trouve son origine dans le domaine des dispositifs micro-ondes à haute puissance et haute fréquence, tels que les gyrotrons, les tubes à ondes progressives relativistes ou les lasers à électrons libres. Les applications du TWT incluent les systèmes de communication par satellite, les contremesures électroniques ou les systèmes radar, grâce à une large bande passante instantanée, un gain élevé et un faible poids. D’autre part, l’accélération d’ions par laser est actuellement l’un des domaines de recherche les plus dynamiques en raison de sa compacité et de ses nombreuses applications, telles que le chauffage isochore, la production d’isotopes ou de neutrons, la radiographie plasma et la fusion nucléaire dans un schéma d’allumage rapide. Parmi tous les mécanismes d’accélération d’ions par laser, le Target Normal Sheath Acceleration (TNSA) fait partie des plus robustes, et repose sur l’interaction d’un faisceau laser de haute intensité avec une cible solide d’épaisseur micrométrique. La pré-impulsion du laser crée un plasma sur la cible, et l’impulsion principale accélère les électrons qui, lorsqu’ils sortent de la cible, génèrent une séparation de charges et un champ électrique statique de plusieurs TV/m. Ce champ accélère les protons, présents à la surface de la cible sous forme d’impuretés hydrogénées, à des énergies allant de quelques MeV à plusieurs dizaines de MeV. Cependant, la divergence angulaire de l’accélération par TNSA qui reste encore trop élevée (±20°), et la distribution énergétique des protons qui décroit exponentiellement avec l’énergie, limitent les possibilités d’applications. Dans ce contexte, l’idée d’implémenter un dispositif (cible hélicoïdale) couplé au TNSA a été proposée pour post-accélérer et focaliser le faisceau de protons. Ce concept consiste à faire propager un courant de décharge, créé lors de l’interaction laser-plasma, dans une hélice. La physique de la propagation du courant dans cette hélice est analogue à celle des systèmes de transmission couplés (comme les TWT). Cependant, compte tenu de l’étendue spectrale de ce courant (impulsion large bande fréquentielle de l’ordre de 10 ps de durée d’impulsion), la dispersion du courant le long de l’hélice est plus importante que dans le cas d’un TWT, ce qui ne permet pas l’obtention d’une post-accélération et d’une focalisation efficace sur toute la longueur de l’hélice, limitant ainsi son champ d’application. C’est dans ce contexte que ce manuscrit prend place, présentant dans une première partie le modèle analytique développé durant cette thèse ayant pour but de comprendre la physique et d’optimiser les géométries des cibles hélicoïdales. Ensuite, dans une deuxième partie, une expérience sur le laser ALLS, montrant l’impact des cibles hélicoïdales sur les spectres de protons et d’ions carbones, est présentée. Laissant place dans une troisième partie à une étude numérique de l’application des cibles hélicoïdales sur des ions α pour la production de radio-isotopes du scandium pour la médecine.
Clèment Lacoste (Wed,) studied this question.