Published December 4, 2008 | Version v1
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Theoretical study of Ultra High Intensity laser-produced high-current relativistic electron beam transport through solid targets

Description

This PhD thesis is a theoretical study of high-current relativistic electron beam transport through solid targets. In the first part, we present an interpretation of a part of experimental results of laser-produced electron beam transport in aluminium foil targets. We have estimated the fast electron beam characteristics and we demonstrated that the collective effects dominate the transport in the first tens of μm of propagation. These quantitative estimates were done with the transport models already existing at the beginning of this thesis. These models are no longer sufficient in the case a fast electron beam propagation in insulator targets. Thus, in the second part, we have developed a propagation model of the beam that includes the effects of electric field ionization and the collisional ionization by the plasma electrons. We present estimates of the electron energy loss induced by the target ionization, and we discuss its dependence on the beam and target parameters. In the case of a relatively low fast electron density, we demonstrated that the beam creates a plasma where the electrons are not in a local thermodynamic equilibrium with ions. We have examined the beam stability and we demonstrated that transverse instabilities can be excited by the relativistic electron beam over the propagation distances of 30 - 300 μm depending on the perturbation wavelength. (author)

Availability note (English)

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Abstract (French)

Cette these porte sur l'etude theorique du transport d'un faisceau intense d'electrons relativistes dans une cible solide. Dans la premiere partie nous presentons les interpretations theoriques d'une partie des resultats d'une campagne d'experience portant sur la production et le transport d'electrons relativistes dans une cible d'aluminium. Nous y demontrons la predominance des effets collectifs sur les effets collisionels dans la premiere dizaine de microns de propagation grace a des modeles de transports deja existant au debut de cette these. Ces modeles deviennent insuffisants dans le cas du transport de faisceau dans un isolant. Aussi, dans la deuxieme partie, nous presentons un modele de propagation du faisceau d'electrons relativistes dans un dielectrique incluant l'effet de l'ionisation de la cible par le faisceau. Nous y quantifions les pertes d'energies des electrons en fonction des parametres du faisceau et du milieu environnant, et nous demontrons l'existence d'un regime de propagation pour lequel les electrons du plasma ne sont pas a l'equilibre thermodynamique local avec les ions. Ces resultats ont ete compares et confirmes avec un code cinetique qui prend en compte l'ionisation par champ electrique et par collisions entre les electrons du plasma et les ions. Nous avons examine la stabilite du faisceau et montre que ce dernier pouvait exciter deux types d'instabilites transverses sur des longueurs de propagation de l'ordre de 30 a 300 μm en fonction de la taille de la perturbation. (auteur)

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Original title (English)
Etude theorique de la propagation de faisceaux intenses d'electrons relativistes generes par lasers a grandes intensites dans une cible solide

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Imprint Pagination
222 p.
Report number
FRNC-TH--15220

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Notes
[130 refs.]