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AbstractAbstract
[en] Particle accelerators attract a lot of attention in the scientific and non-scientific community as a result of their wide applicability in fields ranging from fundamental sciences, medicine to industrial applications. This doctoral work stands at the forefront of laser-based ion accelerators, and pushes forward their development to make them more competitive ion sources compared to conventional particle accelerators. For achieving higher competitiveness, laser-driven ion sources must be compact, cost-effective, reliable, intense and operated at high repetition-rates, which all together yield ion beam characteristics that cannot be realistically matched by any other kind of ion accelerator. To do so, the general effort of this doctoral work tackled three different aspects of laser-based ion acceleration, namely precise target alignment, improved targetry using nanostructures and the development of efficient particle diagnostics. The endeavor required to perform equivalent amounts of numerical work, through simulations using High- Performance Computing, as well as experimental work, by implementing a cutting-edge ion beamline at the Advanced Laser Light Source (ALLS) 100 TW facility and to carry out several experimental campaigns abroad. The first part of the work aims at improving the reliability of ion beams through the precise positioning of solid targets used in laser-driven ion acceleration. For this purpose, a Target Positioning Interferometer (TPI) that reaches sub-wavelength positioning precision was developed. The TPI's novel design is a modified Michelson interferometer that incorporates an aspherical converging lens in the target arm to transform it from a relative to an absolute positioning device, having a single unambiguity point in space. The high positioning accuracy is also achieved by a numerical fringe analysis algorithm that maximizes the extraction of signals with high signal-to-noise ratio, in an optimized time frame. The development of a fast algorithm is crucial to make the TPI a viable solution for its implementation in a laser-based ion accelerator. The second part of the work is focused on enhancing the acceleration mechanism to generate higher ion numbers and kinetic energies, leading to more intense ion bunches. The solid targets used are typically flat metallic targets which allow for less than 10% of laser energy absorption, thereby limiting the laser-to-ion conversion efficiency to a few percent. A way to increase this conversion efficiency is by using target surface nano-structuration to trap the incoming laser pulse, ultimately leading to a greater energy transfer to the ions. I have shown, both theoretically and experimentally, that a careful optimization of a nano-structure's geometrical parameters, in particular for nanospheres and nano-wires, leads to multiple-fold enhancements of ion numbers and kinetic energies, compared to the use of the same laser pulse incident on flat targets of the same material. The final part of the work is dedicated to the development of efficient particle diagnostics suitable for being implemented on high repetition-rate laser-based ion beamlines. I first performed the absolute number calibration of the new EBT-XD type of radiochromic films (RCF). The EBT-XD exhibit larger dose detection range and higher minimum energy threshold compared to their EBT3 counterpart, hence more suitable for intense ion beamlines. A severe response quenching was remarked when the Bragg peak of the measured particle falls directly within the active layer of the RCF, causing significant particle number misestimation errors. Finally, I have developed a Thomson Parabola (TP) and Time-of-Flight cross-calibrated set of particle diagnostics that were incorporated on the ALLS 100 TW ion beamline. The TP spectrometer uses a microchannel plate (MCP) detector that was calibrated from single proton impacts to reconstruct the response function of the MCP detection system. (author)
[fr]
Les accelerateurs de particules attirent beaucoup d'attention en raison de leur nombreuses applications dans des domaines allant des sciences fondamentales, a la medecine jusqu'aux applications industrielles. Ces travaux de doctorat se situent au premier plan du developpement des sources d'ions generees par laser, afin de les rendre plus competitives face aux accelerateurs conventionnels. Pour ce faire, les sources d'ions obtenues par laser doivent etre compactes, efficaces par rapport aux couts, fiables, intenses et operees a des taux de repetition eleves. L'effort general de ces travaux de doctorat vise a pousser leur performance sur trois fronts, soit l'alignement precis des cibles, l'amelioration des cibles a l'aide de nanostructures ainsi que le developpement de detecteurs de particules efficients. Cette quete d'efficacite accrue a requis des travaux autant numeriques, par l'utilisation de calcul de haute performance, qu'experimentaux, par le montage d'une ligne d'acceleration d'ions de pointe sur les installations de l'Advanced Laser Light Source (ALLS) 100 TW ainsi qu'en effectuant plusieurs campagnes experimentales a l'etranger. Les travaux visent d'abord a augmenter la fiabilite des faisceaux d'ions par le positionnement precis des cibles solides utilisees en acceleration d'ions par laser. Pour ce faire, un interferometre de positionnement des cibles (Target Positioning Interferometer, TPI), atteignant une precision d'alignement sous-micrometrique, a ete developpe. Le design novateur du TPI est un interferometre de Michelson modifie dans lequel nous avons introduit une lentille convergente aspherique dans le bras de la cible, afin de le transformer en un systeme de positionnement absolu ayant un unique point d'inambiguite dans l'espace. La fine capacite d'alignement du TPI est atteinte egalement avec l'aide d'un algorithme numerique d'analyse des franges d'interferences qui maximise l'extraction de signaux a grand rapport signal-sur-bruit, effectuee dans une fenetre de temps optimisee. La deuxieme partie des travaux concerne le rehaussement du mecanisme d'acceleration, permettant de generer de plus grandes quantites d'ions a des plus hautes energies cinetiques, menant a des faisceaux d'ions plus intenses. Les cibles solides typiquement utilisees sont des feuilles metalliques minces, limitant l'efficacite de conversion d'energie du laser aux ions a quelques pourcents tout au plus. Une facon d'augmenter cette efficacite de conversion est en nanostructurant la surface des cibles afin d'emprisonner l'onde incidente, augmentant ainsi le transfert d'energie aux ions. Nous avons demontre, de facon theorique et experimentale, qu'un ajustement optimal des parametres geometriques des nanostructures, en particulier avec des nanospheres et des nanofils, mene a une augmentation du nombre d'ions et de leur energies cinetiques de plusieurs fois les valeurs obtenues avec le meme pulse laser incident sur une cible plane faite du meme materiau. Dans la derniere partie, les travaux sont orientes sur le developpement de detecteurs de particules efficients afin d'etre implementes sur les lignes d'acceleration d'ions a haut taux de repetition. Une calibration en nombre absolu des nouveaux films radiochromiques EBT-XD a d'abord ete effectuee. Il a ete observe que les EBT-XD offrent une plus grande plage de mesure de dose ainsi qu'un seuil minimum d'energie de detection plus eleve que leur homologue EBT3, etant donc mieux adaptes pour les lignes d'ions plus intenses. Nous avons egalement mesure une severe inhibition de la reponse des EBT-XD lorsque le pic de Bragg de la particule mesuree tombe directement dans la couche active des films, causant des erreurs importantes dans l'estimation du nombre de particules. Finalement, nous avons implemente, sur la ligne d'acceleration d'ions d'ALLS 100 TW, un systeme de detecteurs de particules calibres en croises incluant un spectrometre a parabole Thomson (TP) ainsi que deux en temps de vol. (auteur)Original Title
Vers des faisceaux d'ions acceleres par laser fiables, intenses et a haut taux de repetition
Primary Subject
Source
3 Dec 2020; 298 p; 237 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses; These Docteur de l'Institut national de la recherche scientifique et de l'Universite de Bordeaux, Specialite: Lasers, matiere et nanosciences
Record Type
Miscellaneous
Literature Type
Thesis/Dissertation
Report Number
Country of publication
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