LENTILLE LASER PLASMA

Description

[0001] La présente divulgation concerne un dispositif et un procédé de collimation ou de focalisation d'un paquet d'électrons.

[0002] En particulier, la présente invention concerne un dispositif et un procédé d'émission d'un paquet d'électrons relativistes collimatés ou focalisés.

[0003] Par « électron relativiste », on entend un électron dont la vitesse de déplacement est non négligeable par rapport à la vitesse de la lumière, notamment dont la vitesse est supérieure à 90% de la vitesse de la lumière.

[0004] Il est connu un procédé d'accélération d'électrons dit « laser-plasma ». Ce procédé permet de générer un paquet d'électrons de haute énergie - classiquement quelques centaines de MeV - en focalisant une impulsion laser intense dans un jet de gaz. L'impulsion laser crée une onde de champs électriques et magnétiques qui accélèrent des électrons présents dans le gaz.

[0005] Un exemple de ce procédé est connu de l'article "Femtosecond electron-bunch dynamics in laser wakefield and vacuum", A.G. Khachatryan er al, Physical Review Spécial Topic, Accelerators and Beams 10, 1213101(2007).

[0006] Ce procédé présente de nombreux avantages par rapport aux techniques conventionnelles d'accélération d'électrons. Notamment, ce procédé peut être mis en œuvre au moyen d'un dispositif compact, une distance de quelques millimètres suffisant pour accélérer les électrons à un niveau d'énergie de quelques centaines de MeV, alors que plusieurs dizaines de mètres sont nécessaires pour atteindre un tel niveau d'énergie avec des procédés conventionnels.

[0007] Par ailleurs, l'accélération laser-plasma génère des paquets d'électrons extrêmement courts, classiquement de l'ordre de quelques femtosecondes, et de taille très limitée, classiquement quelques micromètres. Des paquets d'électrons avec de telles caractéristiques sont difficiles à générer avec des accélérateurs conventionnels.

[0008] Des exemples de dispositifs permettant de réaliser une accélération laser-plasma sont divulgués dans les articles suivants :

"Control of seeding phase for a cascaded laser wakefield accelerator with gradient injection ", W.Wang et al, Applied Phisycs Letters 103, 243501 (2013) ;

"Démonstration of a Narrow Energy Spread, -0.5 GeV Electron Beam from a Two-Stage Laser Wakefield Accelerator", B.B Pollock et al, Physical Review Letters 107, 045001 (2011) ;

"All-Optical Cascaded Laser Wakefield Accelerator Using Ionization-Induced Injection", J.S. Liu et al, Physical Review Letters 107, 035001 (2011).

[0009] Cependant, les paquets d'électrons produits par accélération laser-plasma présentent une divergence qui les rend difficilement exploitables en pratique.

[0010] Cette divergence des paquets d'électrons est difficilement corrigée avec les dispositifs connus, tels que les quadrupôles magnétiques. En effet, la force de focalisation d'un quadrupôle magnétique est relativement faible. Un quadrupôle doit donc être placé plusieurs décimètres derrière la source du paquet d'électrons relativistes, le paquet d'électrons divergeant d'autant entre la source et le quadrupôle, entrainant une dégradation importante de son émittance. Les quadrupôles ont par ailleurs le désavantage de n'être focalisants que selon l'une des deux directions transverses - obligeant ainsi à combiner deux voire trois quadrupôles afin d'obtenir une focalisation adaptée.

[0011] Il est par ailleurs connu, notamment de l'article « A possible final focusing mechanism for linear colliders », P. Chen, Particle Accelerators, 1987, Vol. 20, pp. 171-182, un procédé de focalisation d'un paquet d'électrons à l'aide d'un plasma. Selon cet article, le paquet d'électrons pénétrant dans un plasma y génère, dans son sillage, une onde de champs électriques focalisants. Cependant, ce procédé ne permet pas de focaliser la totalité du paquet d'électrons mais uniquement une partie arrière de ce paquet d'électrons (par rapport à la direction de propagation du paquet d'électrons). Dans le cas d'un paquet d'électrons très court, comme typiquement obtenu en mettant en œuvre un procédé d'accélération laser-plasma, la partie du paquet d'électrons se situant dans la zone focalisante est réduite à zéro et le paquet d'électrons n'est plus du tout focalisé par l'onde de champs électriques focalisants.

[0012] Il existe donc un besoin pour un dispositif de focalisation ou de collimation ne présentant pas les inconvénients susmentionnés et permettant notamment de focaliser ou de collimater un paquet d'électrons obtenu par accélération laser-plasma.

[0013] Pour répondre à ce besoin un premier aspect de l'invention propose un dispositif d'émission d'un paquet d'électrons relativistes collimatés ou focalisés selon la revendication 1.

[0014] Des modes de réalisation préférés de ce dispositif sont définis dans les revendications dépendantes 2-7.

[0015] Par focalisation d'un faisceau d'électrons on entend la concentration de ce faisceau d'électrons. Par collimation d'un faisceau d'électrons, on entend l'orientation de ce faisceau dans une direction.

[0016] Selon l'invention, un paquet d'électrons relativistes est collimaté ou focalisé au moyen d'une onde de champs électriques et magnétiques focalisants auxquels on soumet le paquet d'électrons relativistes. Cette onde de champs électriques et magnétiques est formée par une impulsion laser se propageant dans un nuage de gaz. Cette impulsion laser ionise localement le nuage de gaz, formant des champs électriques et magnétiques focalisants. Cette onde de champs focalisants se déplace en suivant l'impulsion laser.

[0017] Un tel dispositif est nettement plus compact que les dispositifs connus.

[0018] Par rapport aux quadrupôles, il présente aussi l'avantage de focaliser simultanément les électrons dans les deux directions transverses par rapport à la direction de propagation du paquet d'électrons. En fonction de la forme de l'impulsion laser, il est également possible d'obtenir un effet de focalisation ou de collimation différent selon les deux directions transverses.

[0019] Le dispositif d'émission d'un paquet d'électrons relativistes collimatés ou focalisés selon l'invention comprend :

• un premier nuage de gaz,
• un laser adapté à émettre une impulsion laser focalisée dans le premier nuage de gaz pour y créer une première onde de champs électriques et magnétiques d'accélération d'électrons présents dans le gaz et ainsi former un paquet d'électrons relativistes qui se propage à l'extérieur du premier nuage de gaz, et
• un dispositif de collimation ou de focalisation tel que décrit ci-avant, placé sur la trajectoire de propagation du paquet d'électrons relativistes, le nuage de gaz du dispositif de collimation ou de focalisation étant distant dudit premier nuage de gaz et ayant une largeur comprise entre 10 µm et 2 mm.

[0020] Selon une première variante, qui n'est pas couverte par les revendications, le dispositif d'émission d'un paquet d'électrons relativistes collimatés ou focalisés peut comprendre un unique laser adapté à émettre une impulsion laser focalisée à la fois dans le premier nuage de gaz pour y créer une première onde de champs électriques et magnétiques d'accélération d'électrons présents dans le gaz, et dans le nuage de gaz du dispositif de collimation ou de focalisation pour y créer une onde de champs électriques et magnétiques focalisants.

[0021] Par contre, le dispositif d'émission d'un paquet d'électrons relativistes collimatés ou focalisés selon l'invention comporte deux lasers distincts adaptés à émettre deux impulsions laser distinctes, dont l'une est focalisée dans le premier nuage de gaz pour y créer une première onde de champs électriques et magnétiques d'accélération d'électrons présents dans le gaz, et dont l'autre est focalisée dans le nuage de gaz du dispositif de collimation ou de focalisation pour y créer une onde de champs électriques et magnétiques focalisants.

[0022] Les densités électroniques du premier et du deuxième nuage de gaz peuvent être comprises notre 1.10¹⁷ cm^-3 et 1.10²⁰ cm^-3. La densité du premier nuage de gaz est choisie principalement en fonction des caractéristiques du laser. La densité du deuxième nuage gaz est choisie principalement en fonction des caractéristiques du laser, de la longueur du deuxième nuage de gaz et de la distance entre les deux nuages de gaz. La densité du deuxième nuage peut notamment être plus faible que celle du premier nuage de gaz. En variante, cependant, la densité des deux nuages de gaz est sensiblement égale.

[0023] Cependant selon l'invention, la longueur et la densité électronique du nuage de gaz du dispositif de collimation ou de focalisation sont mutuellement liés comme défini dans la revendication 1.

[0024] La distance entre le premier nuage de gaz et le nuage de gaz du dispositif de collimation ou de focalisation est supérieure à 300 µm et/ou inférieure à 5 mm, de préférence inférieure à 2 mm.

[0025] Le dispositif d'émission d'un paquet d'électrons relativistes collimatés ou focalisés peut comprendre au moins l'un parmi un capillaire, un capillaire à décharge, une fuite de capillaire, une buse sonique, une buse supersonique et une cellule de gaz, pour réaliser chaque nuage de gaz.

[0026] Dans le dispositif selon l'invention la largeur du nuage de gaz du dispositif de collimation ou de focalisation est comprise entre 10 µm et 2 mm. Dans d'autres dispositifs, qui ne sont pas couverts par les revendications où un unique faisceau laser est mis en œuvre, le nuage de gaz du dispositif de collimation ou de focalisation peut être plus large que 2 mm. Cependant, dans ce dernier cas, seule la portion amont du nuage de gaz, dans le sens de propagation du paquet d'électrons, a un réel effet de collimation ou de focalisation du paquet d'électrons.

[0027] L'impulsion laser émise par le laser du dispositif de collimation ou de focalisation peut avoir une durée comprise, par exemple, entre 5 et 500 femtosecondes, et une puissance crête comprise, par exemple, entre 10 terawatt et 10 petawatt.

[0028] Selon un autre aspect, l'invention propose un procédé d'émission d'un paquet d'électrons relativistes collimatés ou focalisés selon la revendication 8.

[0029] Des modes de réalisation préférés de ce procédé sont définis dans les revendications dépendantes 9-14.

[0030] L'invention se rapporte donc à un procédé d'émission d'un paquet d'électrons relativistes collimatés ou focalisés, comprenant les étapes consistant à :

• émettre une première impulsion laser focalisée dans un premier nuage de gaz pour y créer une onde de champs électriques et magnétiques d'accélération d'électrons présents dans le gaz et ainsi former un paquet d'électrons relativistes qui se propage à l'extérieur du premier nuage de gaz,
• émettre une deuxième impulsion laser, distincte de la première impulsion laser, focalisée dans un deuxième nuage de gaz pour y créer une onde de champs électriques et magnétiques focalisants, le premier nuage de gaz étant distant du deuxième nuage de gaz, et
• soumettre le paquet d'électrons relativistes à l'onde de champs électriques et magnétiques focalisants.

[0031] La distance entre le premier nuage de gaz et le deuxième nuage de gaz peut être supérieure à 300 µm et/ou inférieure à 5 mm, de préférence inférieure à 2 mm.

[0032] Les densités électroniques du premier et du deuxième nuage de gaz peuvent être comprises notre 1.10¹⁷ cm^-3 et 1.10²⁰ cm^-3. La densité du premier nuage de gaz est choisie principalement en fonction des caractéristiques du laser. La densité du deuxième nuage gaz est choisie principalement en fonction des caractéristiques du laser, de la longueur du deuxième nuage de gaz et de la distance entre les deux nuages de gaz.

[0033] Conformément au dispositif de la revendication 1, selon le procédé de la présente invention la longueur et la densité électronique du nuage de gaz du dispositif de collimation ou de focalisation sont mutuellement liés comme défini dans la revendication 8.

[0034] Dans le procédé selon l'invention, la largeur du nuage de gaz ou du deuxième nuage de gaz, le cas échéant, peut être comprise entre 10 µm et 2 mm.

[0035] La deuxième impulsion laser peut avoir une durée comprise, par exemple, entre 5 et 500 femtosecondes, et une puissance crête comprise, par exemple, entre 10 terawatt et 10 petawatt.

[0036] Les figures annexées feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Parmi celles-ci :

• la figure 1 représente schématiquement un dispositif de collimation ou de focalisation d'un paquet d'électrons selon l'état de l'art ;
• la figure 2 illustre schématiquement un exemple de dispositif d'émission d'un paquet d'électrons relativistes collimatés ou focalisés, mettant en œuvre une unique impulsion laser, le dispositif n'étant pas couvert par les revendications, mais peut cependant être utilisé pour réaliser le procédé selon l'invention.
• les figures 3 à 5 illustrent schématiquement des espaces des phases montrant la focalisation d'un paquet d'électrons au moyen du dispositif de la figure 2 ; et
• la figure 6 représente schématiquement un exemple de dispositif d'émission d'un paquet d'électrons relativistes collimatés ou focalisés, réalisant l'invention avec deux impulsion laser distinctes.

[0037] Dans la suite de la description, les éléments identiques ou de fonction identique, portent le même signe de référence dans les différents modes de réalisation. À fin de concision de la présente description, ces éléments ne sont pas décrits en regard de chacun des modes de réalisation, seules les différences entre les modes de réalisation étant décrites.

[0038] Tel qu'illustré à la figure 1, un dispositif de collimation ou de focalisation 10 d'un paquet d'électrons relativistes 12 selon l'état de l'art comprend un nuage de gaz 14, ionisable, formé ici au moyen d'une buse 16, et un laser (non représenté) adapté à émettre une impulsion laser 18 focalisée dans le nuage de gaz 14 pour y créer une onde de champs électriques et magnétiques focalisants.

[0039] Ainsi, l'impulsion laser 18 ionise le gaz du nuage de gaz 14. Ce faisant, l'impulsion laser 18 forme dans son sillage 20, des champs électriques et magnétiques focalisants 22 (en anglais «focusing wakefield »). L'impulsion laser 18 se déplaçant dans le nuage de gaz, créé une onde de champs électriques et magnétiques focalisants 22, dans le sillage 20 de l'impulsion laser 18. Ces champs électriques et magnétiques focalisants 22, auxquels est soumis le paquet d'électrons relativistes 12, permettent de collimater ou de focaliser le paquet d'électrons relativistes 12.

[0040] L'impulsion laser émise par le laser peut avoir une durée comprise entre 5 et 500 femtosecondes. L'impulsion laser émise peut également avoir une puissance crête comprise entre 10 terawatt et 10 petawatt.

[0041] La largeur du nuage de gaz est par exemple comprise entre 10 µm et 2 mm.

[0042] Un tel dispositif permet de mettre en œuvre le procédé de collimation ou de focalisation d'un paquet d'électrons relativistes suivant. Dans un premier temps, on émet une impulsion laser 18 focalisée dans un nuage de gaz 14, ionisable, pour y créer une onde de champs électriques et magnétiques focalisants 22. Puis on soumet le paquet d'électrons relativistes 12 à ladite onde de champs électriques et magnétiques focalisants 22.

[0043] De préférence, le couple longueur du nuage de gaz 14, densité électronique dans le nuage de gaz 14 est choisi pour limiter la variation d'énergie des électrons entre l'entrée dans le nuage de gaz 14 et la sortie de ce nuage de gaz 14. Cette variation d'énergie |E_sortie - E_entrée|/E_entrée, entre l'énergie E_entrée des électrons à l'entrée dans le nuage de gaz 14 et l'énergie E_sortie des électrons à la sortie du nuage de gaz 14, est avantageusement inférieure à 50 %, mieux inférieure à 40 %, mieux encore inférieure à 30 %, de préférence encore inférieure à 20 % et de manière encore plus préférée inférieure à 10 %.

[0044] Selon une variante, afin de collimater le faisceau d'électrons en sortie du nuage de gaz, le couple longueur du nuage de gaz 14, densité électronique dans le nuage de gaz 14 est choisi pour diminuer un facteur égal au rapport de la divergence du faisceau d'électrons divisée par l'énergie des électrons à la puissance ¾. Notamment, ce couple peut être choisi pour réduire ce facteur d'un rapport deux ou, de préférence, d'un rapport supérieur à deux, entre l'entrée dans le nuage de gaz 14 et la sortie de ce nuage de gaz 14. Le cas échéant, la distance entre la source du faisceau d'électrons 12 et le nuage de gaz 14 peut également être déterminée, en combinaison avec le couple longueur du nuage de gaz 14, densité électronique dans le nuage de gaz 14, pour diminuer ce facteur, d'un facteur deux ou, de préférence, d'un facteur supérieur à deux.

[0045] Selon une autre variante, dans laquelle une focalisation du faisceau d'électrons est recherchée, le couple longueur du nuage de gaz 14, densité électronique dans le nuage de gaz 14 est choisi pour réduire les dimensions du faisceau d'électrons dans au moins un plan transversal à la direction de propagation du faisceau, de préférence dans tous les plans transversaux à la direction de propagation du faisceau, en sortie du nuage de gaz 14 par rapport à ses dimensions en entrée du nuage de gaz 14. De préférence, ces dimensions dans un plan transversal, de préférence dans tous les plans transversaux, sont réduites d'un facteur deux, de préférence encore d'un facteur supérieur à deux. Le cas échéant, la distance entre la source du faisceau d'électrons 12 et le nuage de gaz 14 peut également être déterminée, en combinaison avec le couple longueur du nuage de gaz 14, densité électronique dans le nuage de gaz 14, pour réduire les dimensions du faisceau d'électron 12 dans un plan transversal, de préférence dans tous les plans transversaux, d'un facteur deux ou, de préférence, d'un facteur supérieur à deux.

[0046] La figure 2 représente un dispositif d'émission d'un paquet d'électrons relativistes collimatés ou focalisés 100 pour réaliser le procédé selon l'invention, et mettant en œuvre un dispositif de collimation ou de focalisation 10 tel qu'illustré à la figure 1.

[0047] Plus précisément, ce dispositif 100 comprend tout d'abord un premier nuage de gaz 24, formé ici au moyen d'une première buse 26, un laser (non représenté) adapté à émettre une impulsion laser 18 focalisée dans le premier nuage de gaz 24. L'impulsion laser 18 se propageant dans le premier nuage de gaz 24, ionise localement ce gaz et forme, dans son sillage, des champs électriques et magnétiques d'accélération qui s'appliquent aux électrons présents dans le premier nuage de gaz 24. L'impulsion laser 18 se déplaçant dans le premier nuage de gaz 24, il se créé ainsi une onde de champs électriques et magnétiques d'accélération, ces champs électriques et magnétiques s'appliquant sur les électrons dans le sillon de l'impulsion laser 18.

[0048] Typiquement, dans ce premier nuage de gaz 24, les champs électriques et magnétiques formés dans le sillage de l'impulsion laser sont du régime dit « de la bulle » ou « de cavitation » (« bubble regime » ou « blow-out regime » en anglais).

[0049] Un tel régime de la bulle correspond à une intensité laser nettement supérieure à 2.10¹⁸ W.cm^-2, à un diamètre du laser de l'ordre de la longueur d'onde plasma du nuage de gaz, et à une durée de l'impulsion laser de l'ordre de grandeur de la période plasma du nuage de gaz.

[0050] En outre, pour permettre l'« auto-injection » d'électrons (de l'anglais « self-injection »), la densité du gaz dans le premier nuage de gaz peut être choisie relativement élevée, par exemple supérieure à 10¹⁹ molécules par cm³.

[0051] En variante ou au surplus, des électrons peuvent être injectés en utilisant un gaz plus lourd, typiquement de l'azote ou de l'argon, alors que l'on utilise généralement de l'hélium ou de l'hydrogène, ou un mélange de gaz, et/ou en utilisant une ou plusieurs autres impulsions laser, et/ou en plaçant un objet sur la sortie du jet de gaz.

[0052] Ainsi, un paquet d'électrons se forme qui se déplace dans le sillage de l'impulsion laser, accéléré par les champs électriques et magnétiques formés dans le sillage de l'impulsion laser. Chaque électron de ce paquet d'électrons réalise des oscillations transverses à la direction de propagation du paquet d'électrons. Le paquet d'électrons 12 présente ainsi, en sortie du premier nuage de gaz 24, un portrait de phase 28 du paquet d'électrons 12, tel que représenté à la figure 3. Cette figure représente le portrait de phase du paquet d'électrons relativistes selon une unique direction transverses étant entendu qu'avec une impulsion laser de section sensiblement circulaire, ce portrait de phase est sensiblement identique selon deux directions transverses perpendiculaires. Ici,

• X représente l'une des coordonnées (X, Y, Z) d'un électron, dans un plan (O, x, y) normal à la direction de propagation z du paquet d'électrons, et
• θx représente l'angle entre l'axe de propagation z du paquet d'électron et le vecteur vitesse de l'électron, dans un plan (O, y, z).

[0053] Ce portrait de phase, sous forme d'une ellipse allongée dans la direction θx, démontre la divergence relativement importante du paquet d'électrons 12 dans le premier nuage de gaz 24 et, surtout, à sa sortie.

[0054] Ce paquet d'électrons relativistes 12 se propage ensuite à l'extérieur de ce premier nuage de gaz 24, vers un deuxième nuage de gaz 14 d'un dispositif de collimation ou de focalisation 10 tel que décrit précédemment en regard de la figure 1. Entre le premier nuage de gaz 24 et le nuage de gaz 14 du dispositif de collimation ou de focalisation 10 (ci-après deuxième nuage de gaz 14), le paquet d'électrons relativistes 12 se propage librement dans le vide. Par « vide », on entend de préférence une densité électronique entre les deux nuages de gaz, inférieure à 40 %, de préférence inférieure à 20 % et de manière encore plus préférée inférieure à 1 % de la densité électronique du deuxième nuage de gaz. La distance d entre les premier et deuxième nuages de gaz 24, 14 est par exemple supérieure à 300 µm et/ou inférieure à 5 mm, de préférence inférieure à 2 mm.

[0055] Comme illustré par le portrait de phase 30 de la figure 4, au cours de cette propagation dans le vide du paquet d'électrons, les électrons diffractent librement et, en l'absence de champs électriques et magnétiques dans le sillage de l'impulsion laser 18, le paquet d'électrons 12 s'élargit radialement. Ceci se traduit par un étirement du portrait de phase dans la direction X, mais avec des valeurs constantes de θx.

[0056] Puis, le paquet d'électrons relativistes 12 pénètre dans le deuxième nuage de gaz 14. Selon un premier mode de réalisation du procédé de l'invention, l' 'impulsion laser 18 crée, dans son sillage, une nouvelle onde de champs électriques et magnétiques qui ont un effet focalisant ou collimateur. Cette impulsion laser 18 et le deuxième nuage de gaz 14 forment un dispositif de collimation ou de focalisation 10 tel que déjà décrit en regard de la figure 1.

[0057] Les champs électriques et magnétiques formés dans le sillage de l'impulsion laser 18 dans le second nuage de gaz 14 sont classiquement dans le régime linéaire ou quasi-linéaire. Les champs électriques et magnétiques dans le second nuage de gaz sont donc plus faibles a priori que dans le premier nuage de gaz. Ainsi, le paquet d'électrons relativistes pivote plus lentement dans le portrait de phase. À certains points de cette rotation, le portrait de phase 32 du paquet d'électrons est aligné avec l'axe X et la divergence est minimale. Un effet de collimation est obtenu quand le nuage de gaz s'arrête au niveau de ces points. Pour obtenir un effet de focalisation, on peut continuer à faire tourner l'ellipse du portrait de phase du paquet d'électrons pour obtenir une ellipse telle que la majorité des électrons vérifie que si x>0, alors θx<0 et inversement (en d'autres termes, on réalise un portrait de phase sensiblement symétrique, par rapport à l'axe θx, au portrait de phase de la figure 4).

[0058] Ainsi, il a été prouvé que la longueur du deuxième nuage de gaz 14, la distance d entre les deux jets et la densité électronique dans le deuxième nuage de gaz 14 peuvent être déterminées pour obtenir une valeur de divergence minimale du paquet d'électrons 12 en sortie du deuxième nuage de gaz 14.

[0059] En pratique, cependant, on peut obtenir une divergence minimale du paquet d'électrons 12, pour une densité de gaz dans le deuxième nuage de gaz 14 et pour une longueur de ce deuxième nuage de gaz 14 données, en déplaçant les premier et deuxième nuages de gaz l'un par rapport à l'autre pour modifier la distance d. En variante, on fixe la longueur du deuxième nuage de gaz 14 et la distance entre les premier et deuxième nuages de gaz, et on modifie la densité du gaz du deuxième nuage de gaz jusqu'à l'obtention d'un effet de collimation ou de focalisation optimal.

[0060] De préférence, le triplet longueur du deuxième nuage de gaz 14, distance d entre les deux nuages de gaz et densité électronique dans le deuxième nuage de gaz 14 est choisi pour limiter la variation d'énergie des électrons entre l'entrée dans le deuxième nuage de gaz 14 et la sortie de ce deuxième nuage de gaz 14. Cette variation d'énergie |E_sortie - E_entrée|/E_entrée, entre l'énergie E_entrée des électrons à l'entrée dans le deuxième nuage de gaz 14 et l'énergie E_sortie des électrons à la sortie du deuxième nuage de gaz 14, est avantageusement inférieure à 50 %, mieux inférieure à 40 %, mieux encore inférieure à 30 %, de préférence encore inférieure à 20 % et de manière encore plus préférée inférieure à 10 %.

[0061] Selon une variante, afin de collimater le faisceau d'électrons en sortie du deuxième nuage de gaz, le triplet longueur du deuxième nuage de gaz 14, distance d entre les deux nuages de gaz et densité électronique dans le deuxième nuage de gaz 14 est choisi pour diminuer un facteur égal au rapport de la divergence du faisceau d'électrons, divisée par l'énergie des électrons à la puissance ¾. Notamment, ce triplet peut être choisi pour réduire ce facteur d'un rapport deux ou, de préférence, d'un rapport supérieur à deux, entre la sortie du premier nuage de gaz 24 et la sortie du deuxième nuage de gaz 14.

[0062] Selon une autre variante, dans laquelle une focalisation du faisceau d'électrons est recherchée, le triplet longueur du deuxième nuage de gaz 14, distance d entre les deux nuages de gaz et densité électronique dans le deuxième nuage de gaz 14 est choisi pour réduire les dimensions du faisceau d'électrons dans au moins un plan transversal à la direction de propagation du faisceau, de préférence dans tous les plans transversaux à la direction de propagation du faisceau, en sortie du deuxième nuage de gaz 14 par rapport à ses dimensions en sortie du premier nuage de gaz 24. De préférence, ces dimensions dans un plan transversal, de préférence dans tous les plans transversaux, sont réduites d'un facteur deux, de préférence encore d'un facteur supérieur à deux.

[0063] En général, le gaz du premier nuage de gaz est plus dense que le gaz du nuage de gaz du dispositif de collimation ou de focalisation, la densité du premier nuage de gaz étant par exemple supérieure à 5.10¹⁸ molécules par cm³, de préférence supérieure à 10¹⁹ molécules par cm³, la densité du nuage de gaz du dispositif de collimation ou de focalisation étant par exemple inférieure à 5.10¹⁸ molécules par cm³, de préférence inférieure à 10¹⁸ molécules par cm³. Il est à noter cependant que les valeurs de densité peuvent varier significativement selon les propriétés de l'impulsion laser et des électrons. De plus, le dispositif de la figure 100 fonctionne également si la densité du deuxième nuage de gaz est égale ou supérieure à celle du premier nuage de gaz.

[0064] Le dispositif 100 permet de mettre en œuvre le procédé d'émission d'un paquet d'électrons relativistes collimatés ou focalisés suivant. Tout d'abord on émet une impulsion laser focalisée dans un premier nuage de gaz, ionisable, pour y créer une onde de champs électriques et magnétiques d'accélération d'électrons présents dans le gaz et ainsi former un paquet d'électrons relativistes qui se propage à l'extérieur du premier nuage de gaz. Selon le premier mode de réalisation du procédé, l' impulsion laser étant également focalisée dans un deuxième nuage de gaz ionisable, elle y créé une onde de champs électriques et magnétiques focalisants. Le premier nuage de gaz est distant du deuxième nuage de gaz ionisable. Puis on soumet le paquet d'électrons relativistes à l'onde de champs électriques et magnétiques focalisants.

[0065] La figure 6 représente un dispositif d'émission d'un paquet d'électrons relativistes collimatés ou focalisés 200 selon l'invention Ce dispositif 200 se distingue du dispositif 100 de la figure 2 essentiellement en ce qu'il met en œuvre deux impulsions laser 18, 34, issues de deux lasers distincts et séparées en amont du premier nuage de gaz 24.

[0066] Le premier laser est ainsi adapté à émettre une première impulsion laser 34 focalisée dans le premier nuage de gaz 24, ionisable, pour y créer une première onde de champs électriques et magnétiques d'accélération d'électrons présents dans le gaz et ainsi former un paquet d'électrons relativistes 12 qui se propage à l'extérieur du premier nuage de gaz 24. Un deuxième laser est en outre adapté à émettre une deuxième impulsion laser 18 focalisée dans le second nuage de gaz 14, ionisable, pour y créer une deuxième onde de champs électriques et magnétiques, de collimation ou de focalisation du paquet d'électrons relativistes 12.

[0067] De préférence, la deuxième impulsion laser précède la première impulsion laser de quelques dixièmes de femtosecondes. Ce délai entre les deux impulsions laser 34, 18 peut être ajusté pour que le paquet d'électrons 12 se trouve dans une zone focalisante de l'onde de champs électriques et magnétiques produits dans le second nuage de gaz 14 par la deuxième impulsion laser 18.

[0068] La densité du gaz du deuxième nuage de gaz est choisie de préférence relativement faible, par exemple inférieure à 10¹⁸ molécules par cm³ pour que le sillage de la deuxième impulsion laser englobe la totalité du paquet d'électrons 12. La longueur du deuxième nuage de gaz 14 est par exemple de 100 µm. Selon l'invention, la densité électronique n_e dans le deuxième nuage de gaz 14 et la longueur L_e de ce deuxième nuage de gaz 14 sont choisies de telle sorte que l'inéquation suivante soit vérifiée :

où n₀ = 10¹⁸ électrons/cm³ et L₀ = 1 mm.

[0069] Les deux impulsions laser peuvent être de longueurs d'ondes différentes. De préférence cependant, elles présentent la même longueur d'onde.

[0070] Les premier et deuxième nuages de gaz sont ici aussi distants d'une distance de l'ordre du millimètre, de sorte que le paquet d'électrons relativistes se propage dans le vide dans l'espace entre ces deux nuages de gaz. Bien entendu, cet ordre de grandeur n'est pas limitatif, et la distance entre les deux nuages de gaz pourra être déterminée comme expliqué ci-avant dans le cas du dispositif 100.

[0071] Ce dispositif d'émission d'un paquet d'électrons relativistes collimatés ou focalisés 200 fonctionne sensiblement comme le dispositif d'émission 100. Notamment, le portrait de phase du paquet d'électrons présente les mêmes variations dans ce dispositif 200 que dans le dispositif 100. Cependant, les champs électriques et magnétiques dans le deuxième nuage de gaz sont plus forts dans ce dispositif 200 que dans le cas du dispositif 100. Ainsi, le deuxième nuage gazeux dans le dispositif 200 peut être plus court que dans le cas du dispositif d'émission 100.

[0072] En outre, ce dispositif 200 présente moins d'aberrations que le dispositif 100. En effet, dans le cas du dispositif 200, la deuxième impulsion laser correspond au régime de la bulle, dans le deuxième nuage de gaz. Dans ce cas, les champs électriques et magnétiques focalisants dans ce deuxième nuage de gaz sont proportionnels à la distance à l'axe de propagation de la deuxième impulsion laser. Ceci permet une collimation plus efficace du paquet d'électrons relativistes, notamment par rapport au dispositif 100, dans lequel l'impulsion laser dans le deuxième nuage de gaz correspond au régime quasi-linéaire. Par suite, les champs électriques et magnétiques focalisants dans le deuxième nuage de gaz de ce dispositif 100 ne sont proportionnels à la distance à l'axe que proche de l'axe et de façon approchée. Les électrons avec les plus grands angles de propagation peuvent alors ne pas voir les mêmes champs focalisants que les électrons avec des angles de propagation faibles. La longueur de collimation peut alors dépendre de l'angle de propagation initiale des électrons, ce qui peut limiter l'effet de collimation.

[0073] Le dispositif 200 permet également de mieux focaliser les électrons très énergétiques, par exemple ceux dont l'énergie est supérieure à 1 GeV. Les champs dans le dispositif 100 sont en effet généralement trop faibles pour focaliser efficacement ces électrons.

[0074] Ce dispositif 200 permet de mettre en œuvre le procédé d'émission d'un paquet d'électrons relativistes collimatés ou focalisés selon le deuxième mode de réalisation du procédé de l'invention. On émet une première impulsion laser focalisée dans un premier nuage de gaz ionisable pour y créer une onde de champs électriques et magnétiques d'accélération d'électrons présents dans le gaz et ainsi former un paquet d'électrons relativistes qui se propage à l'extérieur du premier nuage de gaz ionisable. On émet une deuxième impulsion laser focalisée dans un deuxième nuage de gaz ionisable pour y créer une onde de champs électriques et magnétiques focalisants, le premier nuage de gaz ionisable étant distant du deuxième nuage de gaz ionisable. Enfin, on soumet le paquet d'électrons relativistes à l'onde de champs électriques et magnétiques focalisants.

[0075] L'invention est limitée par les revendications suivantes et elle ne se limite pas aux seuls exemples de réalisation décrit ci-avant en regard des figures, qui doivent être considérées à titre d'exemples illustratifs et non limitatifs.

[0076] En particulier, le ou chaque nuage de gaz peut être obtenu en mettant en œuvre au moins l'un parmi un capillaire, un capillaire à décharge, une fuite de capillaire, une buse sonique, une buse supersonique et une cellule de gaz, pour réaliser chaque nuage de gaz.

Revendications

1. Dispositif (200) d'émission d'un paquet d'électrons relativistes (12) collimatés ou focalisés, comprenant :

- un premier nuage de gaz (24),

- un laser adapté à émettre une première impulsion laser (18) focalisée dans le premier nuage de gaz (24) pour y créer une première onde de champs électriques et magnétiques d'accélération laser-plasma d'électrons présents dans le nuage de gaz (24) et ainsi former un paquet d'électrons relativistes (12) qui se propage à l'extérieur du premier nuage de gaz (24), et

- un dispositif de collimation ou de focalisation (10) du paquet d'électrons relativistes (12) obtenu par accélération laser-plasma comprenant un nuage de gaz (14) , la largeur du nuage de gaz (14) du dispositif de collimation ou de focalisation (10) étant comprise entre 10 µm et 2 mm, le dispositif de collimation ou de focalisation étant placé sur la trajectoire de propagation du paquet d'électrons relativistes (12), le nuage de gaz (14) du dispositif de collimation ou de focalisation (10) étant distant dudit premier nuage de gaz (14) par un vide, le paquet d'électrons relativistes (12) se propageant dans le vide entre le premier nuage de gaz (24) et le nuage de gaz (14) du dispositif de collimation ou de focalisation,

caractérisé en ce que
le dispositif d'émission d'un paquet d'électrons relativistes collimatés ou focalisés (200) comprend deux lasers distincts adaptés à émettre deux impulsions laser distinctes (18 ; 34), dont ladite première impulsion (18) est focalisée dans ledit le premier nuage de gaz (24) pour y créer ladite première onde de champs électriques et magnétiques d'accélération laser-plasma d'électrons présents dans ledit premier nuage de gaz (24), et dont l'autre est focalisée dans ledit nuage de gaz (14) du dispositif de collimation ou de focalisation (10) pour y créer une onde de champs électriques et magnétiques focalisants, et en ce que la longueur L_e et la densité électronique n_e du nuage de gaz (14) du dispositif de collimation ou de focalisation (10) sont telles que :

où n₀ = 10¹⁸ électrons/cm³ et L₀ = 1 mm.

2. Dispositif (200) selon la revendication précédente, dans lequel la distance (d) entre le premier nuage de gaz (24) et le nuage de gaz (14) du dispositif de collimation ou de focalisation (10) est supérieure à 300 µm et/ou inférieure à 5 mm, de préférence inférieure à 2 mm.

3. Dispositif (200) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant au moins l'un parmi un capillaire, un capillaire à décharge, une fuite de capillaire, une buse sonique, une buse supersonique et une cellule de gaz, pour réaliser chaque nuage de gaz (14 ; 24).

4. Dispositif (200) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'impulsion laser (18) émise par le laser du dispositif de collimation ou de focalisation (10) a une durée comprise entre 5 et 500 femtosecondes et/ou une puissance crête comprise entre 10 terawatt et 10 petawatt.

5. Dispositif (200) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la longueur et la densité électronique du nuage de gaz (14) du dispositif de collimation ou de focalisation (10) et la distance entre le premier nuage de gaz (24) et le nuage de gaz (14) du dispositif de collimation ou de focalisation (10), le cas échéant, sont choisies de telle sorte que la variation d'énergie du faisceau d'électrons entre l'entrée et la sortie du nuage de gaz (14) du dispositif de collimation ou de focalisation (10) soit inférieure à 50%, de préférence inférieure à 40%, de préférence encore inférieure à 30%, de manière encore préférée inférieure à 20% et de manière encore plus préférée inférieure à 10 %.

6. Dispositif (200) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la longueur et la densité électronique du nuage de gaz (14) du dispositif de collimation ou de focalisation (10) et la distance entre le premier nuage de gaz (24) et le nuage de gaz (14) du dispositif de collimation ou de focalisation (10), le cas échéant, sont choisies de telle sorte que le facteur égal à la divergence du faisceau d'électrons, divisée par l'énergie des électrons du faisceau à la puissance ¾, soit réduit entre l'entrée du nuage de gaz (14) du dispositif de collimation ou de focalisation (10) ou la sortie du premier nuage de gaz (24), le cas échéant, et la sortie du nuage de gaz du dispositif de collimation ou de focalisation (10), d'un rapport deux ou plus.

7. Dispositif (200) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la longueur et la densité électronique du nuage de gaz (14) du dispositif de collimation ou de focalisation (10) et la distance entre le premier nuage de gaz (24) et le nuage de gaz (14) du dispositif de collimation ou de focalisation (10), le cas échéant, sont choisies de telle sorte les dimensions du faisceau d'électrons dans un plan transversal à la direction de propagation du faisceau d'électrons, de préférence dans tous les plans transversaux à la direction de propagation du faisceau d'électrons, soient réduites entre l'entrée du nuage de gaz (14) du dispositif de collimation ou de focalisation (10) ou la sortie du premier nuage de gaz (24), le cas échéant, et la sortie du nuage de gaz du dispositif de collimation ou de focalisation (10), d'un rapport deux ou plus.

8. Procédé d'émission d'un paquet d'électrons relativistes collimatés ou focalisés, comprenant les étapes consistant à :

- émettre une première impulsion laser (34) focalisée dans un premier nuage de gaz (24) pour y créer une onde de champs électriques et magnétiques d'accélération laser-plasma d'électrons présents dans le ledit premier nuage de gaz et ainsi former un paquet d'électrons relativistes (12) qui se propage à l'extérieur du premier nuage de gaz (24),

- émettre une deuxième impulsion laser (18), distincte de la première impulsion laser (34), focalisée dans un deuxième nuage de gaz (14) pour y créer une onde de champs électriques et magnétiques focalisants (22), le premier nuage de gaz (24) étant distant du deuxième nuage de gaz (14) par un vide, le paquet d'électrons relativistes (12) se propageant dans le vide entre le premier nuage de gaz (24) et le deuxième nuage de gaz (24), et

- soumettre le naauet d'électrons relativistes (12) obtenu par accélération laser-plasma à l'onde de champs électriques et magnétiques focalisants (22),

caractérisé en ce que
la longueur L_e et la densité électronique n_e du deuxième nuage de gaz (14) sont telles que :

où n₀ = 10¹⁸ électrons/cm³ et L₀ = 1 mm.

9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel la distance entre le premier nuage de gaz (24) et le deuxième nuage de gaz (14) est supérieure à 300 µm et/ou inférieure à 5 mm, de préférence inférieure à 2 mm.

10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, dans lequel la largeur du deuxième nuage de gaz (14) est comprise entre 10 µm et 2 mm.

11. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la deuxième impulsion laser (18) a une durée comprise entre 5 et 500 femtosecondes, et/ou une puissance crête comprise entre 10 terawatt et 10 petawatt.

12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, dans lequel la longueur et la densité électronique du deuxième nuage de gaz (14) et la distance entre le premier nuage de gaz (24) et le deuxième nuage de gaz (14), le cas échéant, sont choisies de telle sorte que la variation d'énergie du faisceau d'électron entre l'entrée et la sortie du deuxième nuage de gaz (14) soit inférieure à 50%, de préférence inférieure à 40%, de préférence encore inférieure à 30%, de manière encore préférée inférieure à 20% et de manière encore plus préférée inférieure à 10%.

13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, dans lequel la longueur et la densité électronique du deuxième nuage de gaz (14) et la distance entre le premier nuage de gaz (24) et le deuxième nuage de gaz (14), le cas échéant, sont choisies de telle sorte que le facteur égal à la divergence du faisceau d'électrons, divisée par l'énergie des électrons à la puissance ¾, soit réduit entre l'entrée du deuxième nuage de gaz (14) ou la sortie du premier nuage de gaz (24), le cas échéant, et la sortie du deuxième nuage de gaz, d'un rapport deux ou plus.

14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, dans lequel la longueur et la densité électronique du deuxième nuage de gaz (14) et la distance entre le premier nuage de gaz (24) et le deuxième nuage de gaz (14), le cas échéant, sont choisies de telle sorte les dimensions du faisceau d'électrons dans un plan transversal à la direction de propagation du faisceau d'électrons, de préférence dans tous les plans transversaux à la direction de propagation du faisceau d'électrons, soient réduites entre l'entrée du deuxième nuage de gaz (14) ou la sortie du premier nuage de gaz (24), le cas échéant, et la sortie du deuxième nuage de gaz, d'un rapport deux ou plus.

Ansprüche

1. Vorrichtung (200) zum Aussenden eines Pakets kollimierter oder fokussierter relativistischer Elektronen (12), umfassend:

- eine erste Gaswolke (24),

- einen Laser, der geeignet ist, einen ersten fokussierten Laserimpuls (18) in die erste Gaswolke (24) auszusenden, um darin eine erste Welle elektrischer und magnetischer Felder zur Laser-Plasma-Beschleunigung von in der Gaswolke (24) vorhandenen Elektronen zu erzeugen und so ein Paket relativistischer Elektronen (12) zu bilden, das sich außerhalb der ersten Gaswolke (24) ausbreitet, und

- eine Kollimations- oder Fokussierungsvorrichtung (10) zur Kollimation oder Fokussierung des durch Laser-Plasma-Beschleunigung erhaltenen Pakets relativistischer Elektronen (12), die eine Gaswolke (14) umfasst, wobei die Breite der Gaswolke (14) der Kollimations- oder Fokussierungsvorrichtung (10) zwischen 10 µm und 2 mm beträgt, wobei die Kollimations- oder Fokussierungsvorrichtung auf dem Ausbreitungsweg des Pakets relativistischer Elektronen (12) angeordnet ist, wobei die Gaswolke (14) der Kollimations- oder Fokussierungsvorrichtung (10) von der ersten Gaswolke (14) durch ein Vakuum beabstandet ist, wobei sich das Paket relativistischer Elektronen (12) in dem Vakuum zwischen der ersten Gaswolke (24) und der Gaswolke (14) der Kollimations- oder Fokussierungsvorrichtung ausbreitet, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Aussenden eines Pakets kollimierter oder fokussierter relativistischer Elektronen (200) zwei verschiedene Laser umfasst, die geeignet sind, zwei verschiedene Laserimpulse (18; 34) auszusenden, von denen der erste Impuls (18) in die erste Gaswolke (24) fokussiert ist, um darin die erste Welle elektrischer und magnetischer Felder zur Laser-Plasma-Beschleunigung von in der ersten Gaswolke (24) vorhandenen Elektronen zu erzeugen, und von denen der andere in die Gaswolke (14) der Kollimations- oder Fokussierungsvorrichtung (10) fokussiert ist, um darin eine Welle fokussierender elektrischer und magnetischer Felder zu erzeugen, und dadurch, dass die Länge L_e und die Elektronendichte n_e der Gaswolke (14) der Kollimations- oder Fokussierungsvorrichtung (10) derart sind, dass:

worin n₀ = 10¹⁸ Elektronen/cm³ und L₀ = 1 mm.

2. Vorrichtung (200) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Abstand (d) zwischen der ersten Gaswolke (24) und der Gaswolke (14) der Kollimations- oder Fokussierungsvorrichtung (10) größer als 300 µm und/oder kleiner als 5 mm ist, bevorzugt kleiner als 2 mm.

3. Vorrichtung (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die mindestens eine unter einer Kapillare, einer Entladungskapillare, einer Kapillarleckage, einer Schalldüse, einer Überschalldüse und einer Gaszelle umfasst, um jede Gaswolke (14; 24) auszuführen.

4. Vorrichtung (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der vom Laser der Kollimations- oder Fokussierungsvorrichtung (10) ausgesendete Laserimpuls (18) eine Dauer zwischen 5 und 500 Femtosekunden und/oder eine Spitzenleistung zwischen 10 Terawatt und 10 Petawatt hat.

5. Vorrichtung (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Länge und die Elektronendichte der Gaswolke (14) der Kollimations- und Fokussierungsvorrichtung (10) und der Abstand zwischen der ersten Gaswolke (24) und der Gaswolke (14) der Kollimations- und Fokussierungsvorrichtung (10) gegebenenfalls so gewählt sind, dass die Energieänderung des Elektronenstrahls zwischen dem Eintritt in die und dem Austritt aus der Gaswolke (14) der Kollimations- und Fokussierungsvorrichtung (10) weniger als 50 %, bevorzugt weniger als 40 %, noch bevorzugter weniger als 30 %, noch stärker bevorzugt weniger als 20 % und noch viel stärker bevorzugt weniger als 10 % beträgt.

6. Vorrichtung (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Länge und die Elektronendichte der Gaswolke (14) der Kollimations- und Fokussierungsvorrichtung (10) und der Abstand zwischen der ersten Gaswolke (24) und der Gaswolke (14) der Kollimations- und Fokussierungsvorrichtung (10) gegebenenfalls so gewählt sind, dass der Faktor gleich der Elektronenstrahldivergenz, dividiert durch die Energie der Elektronen des Strahls zur Potenz ¾, zwischen dem Eintritt in die Gaswolke (14) der Kollimations- und Fokussierungsvorrichtung (10) oder dem Austritt aus der ersten Gaswolke (24), gegebenenfalls, und dem Austritt aus der Gaswolke der Kollimations- und Fokussierungsvorrichtung (10), um ein Verhältnis von zwei oder mehr reduziert ist.

7. Vorrichtung (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Länge und die Elektronendichte der Gaswolke (14) der Kollimations- und Fokussierungsvorrichtung (10) und der Abstand zwischen der ersten Gaswolke (24) und der Gaswolke (14) der Kollimations- und Fokussierungsvorrichtung (10) gegebenenfalls so gewählt sind, dass die Abmessungen des Elektronenstrahls in einer Ebene quer zur Ausbreitungsrichtung des Elektronenstrahls, bevorzugt in allen Ebenen quer zur Ausbreitungsrichtung des Elektronenstrahls, zwischen dem Eintritt in die Gaswolke (14) der Kollimations- und Fokussierungsvorrichtung (10) oder dem Austritt aus der ersten Gaswolke (24), gegebenenfalls, und dem Austritt aus der Gaswolke der Kollimations- und Fokussierungsvorrichtung (10), um ein Verhältnis von zwei oder mehr reduziert sind.

8. Verfahren zum Aussenden eines Pakets kollimierter oder fokussierter relativistischer Elektronen, das die Schritte umfasst, die darin bestehen:

- einen ersten fokussierten Laserimpuls (34) in eine erste Gaswolke (24) auszusenden, um darin eine Welle elektrischer und magnetischer Felder zur Laser-Plasma-Beschleunigung von in der ersten Gaswolke vorhandenen Elektronen zu erzeugen und so ein Paket relativistischer Elektronen (12) zu bilden, das sich außerhalb der ersten Gaswolke (24) ausbreitet,

- einen zweiten Laserimpuls (18), der von dem fokussierten ersten Laserimpuls (34) verschieden ist, in eine zweite Gaswolke (14) auszusenden, um darin eine Welle fokussierender elektrischer und magnetischer Felder (22) zu erzeugen, wobei die erste Gaswolke (24) von der zweiten Gaswolke (14) durch ein Vakuum beabstandet ist, wobei sich das Paket relativistischer Elektronen (12) in dem Vakuum zwischen der ersten Gaswolke (24) und der zweiten Gaswolke (24) ausbreitet, und

- das durch Laser-Plasma-Beschleunigung erhaltene Paket relativistischer Elektronen (12) der Welle fokussierender elektrischer und magnetischer Felder (22) zu unterziehen,

dadurch gekennzeichnet, dass die Länge L_e und die Elektronendichte n_e der zweiten Gaswolke (14) derart sind, dass:

worin n₀ = 10¹⁸ Elektronen/cm³ und L₀ = 1 mm.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Abstand zwischen der ersten Gaswolke (24) und der zweiten Gaswolke (14) größer als 300 µm und/oder kleiner als 5 mm ist, bevorzugt kleiner als 2 mm.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Breite der zweiten Gaswolke (14) zwischen 10 µm und 2 mm beträgt.

11. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der zweite Laserimpuls (18) eine Dauer zwischen 5 und 500 Femtosekunden und/oder eine Spitzenleistung zwischen 10 Terawatt und 10 Petawatt hat.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die Länge und die Elektronendichte der zweiten Gaswolke (14) und der Abstand zwischen der ersten Gaswolke (24) und der zweiten Gaswolke (14) gegebenenfalls so gewählt sind, dass die Energieänderung des Elektronenstrahls zwischen dem Eintritt in die und dem Austritt aus der zweiten Gaswolke (14) weniger als 50 %, bevorzugt weniger als 40 %, noch bevorzugter weniger als 30 %, noch stärker bevorzugt weniger als 20 % und noch viel stärker bevorzugt weniger als 10 % beträgt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die Länge und die Elektronendichte der zweiten Gaswolke (14) und der Abstand zwischen der ersten Gaswolke (24) und der zweiten Gaswolke (14) gegebenenfalls so gewählt sind, dass der Faktor gleich der Elektronenstrahldivergenz, dividiert durch die Energie der Elektronen des Strahls zur Potenz ¾, zwischen dem Eintritt in die zweite Gaswolke (14) oder dem Austritt aus der ersten Gaswolke (24), gegebenenfalls, und dem Austritt aus der zweiten Gaswolke, um ein Verhältnis von zwei oder mehr reduziert ist.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die Länge und die Elektronendichte der zweiten Gaswolke (14) und der Abstand zwischen der ersten Gaswolke (24) und der zweiten Gaswolke (14) gegebenenfalls so gewählt sind, dass die Abmessungen des Elektronenstrahls in einer Ebene quer zur Ausbreitungsrichtung des Elektronenstrahls, bevorzugt in allen Ebenen quer zur Ausbreitungsrichtung des Elektronenstrahls, zwischen dem Eintritt in die zweite Gaswolke (14) oder dem Austritt aus der ersten Gaswolke (24), gegebenenfalls, und dem Austritt aus der zweiten Gaswolke, um ein Verhältnis von zwei oder mehr reduziert sind.

Claims

1. Device (200) for emitting a packet of collimated or focused relativistic electrons (12), comprising:

- a first gas cloud (24),

- a laser suitable for emitting a first focused laser pulse (18) into the first gas cloud (24) to create therein a first wave of electrical and magnetic fields of laser-plasma acceleration of electrons present in the gas cloud (24) and thus form a packet of relativistic electrons (12) which is propagated out of the first gas cloud (24), and

- a device (10) for collimating or focusing the packet of relativistic electrons (12) obtained by laser-plasma acceleration comprising a gas cloud (14), the width of the gas cloud (14) of the collimation or focusing device (10) being between 10 µm and 2 mm, the collimation or focusing device being placed on the path of propagation of the packet of relativistic electrons (12), the gas cloud (14) of the collimation or focusing device (10) being separated from said gas cloud (14) by a vacuum, the packet of relativistic electrons (12) being propagated in the vacuum between the first gas cloud (24) and the gas cloud (14) of the collimation or focusing device,

characterized in that
the device for emitting a packet of collimated or focused relativistic electrons (200) comprises two distinct lasers suitable for emitting two distinct laser pulses (18; 34), of which the first pulse (18) is focused in said first gas cloud (24) to create therein said first wave of electrical and magnetic fields of laser-plasma acceleration of the electrons present in said first gas cloud (24), and of which the other is focused in said gas cloud (14) of the collimation or focusing device (10) to create therein a wave of focusing electrical and magnetic fields,
and in that
the length L_e and the electron density n_e of the gas cloud (14) of the collimation or focusing device (10) are such that:

in which n₀ = 10¹⁸ electrons/cm³ and L₀ = 1 mm.

2. Device (200) according to the preceding claim, wherein the distance (d) between the first gas cloud (24) and the gas cloud (14) of the collimation or focusing device (10) is greater than 300 µm and/or less than 5 mm, preferably less than 2 mm.

3. Device (200) according to either one of the preceding claims, comprising at least one out of a capillary, a discharge capillary, a capillary leak, a sonic nozzle, a supersonic nozzle and a gas cell, to produce each gas cloud (14; 24).

4. Device (200) according to any one of the preceding claims, wherein the laser pulse (18) emitted by the laser of the collimation or focusing device (10) has a duration of between 5 and 500 femtoseconds and/or a peak power of between 10 terawatt and 10 petawatt.

5. Device (200) according to any one of the preceding claims, wherein the length and the electron density of the gas cloud (14) of the collimation or focusing device (10) and the distance between the first gas cloud (24) and the gas cloud (14) of the collimation or focusing device (10), as appropriate, are chosen such that the variation of energy of the electron beam between the input and the output of the gas cloud (14) of the collimation or focusing device (10) is less than 50%, preferably less than 40%, more preferably less than 30%, more preferably less than 20% and even more preferably less than 10%.

6. Device (200) according to any one of Claims 1 to 5, wherein the length and the electron density of the gas cloud (14) of the collimation or focusing device (10) and the distance between the first gas cloud (24) and the gas cloud (14) of the collimation or focusing device (10), as appropriate, are chosen such that the factor equal to the divergence of the electron beam, divided by the energy of the electrons of the beam at ¾ power, is reduced between the input of the gas cloud (14) of the collimation or focusing device (10) or the output of the first gas cloud (24), as appropriate, and the output of the gas cloud of the collimation or focusing device (10), by a ratio of two or more.

7. Device (200) according to any one of Claims 1 to 5, wherein the length and the electron density of the gas cloud (14) of the collimation or focusing device (10) and the distance between the first gas cloud (24) and the gas cloud (14) of the collimation or focusing device (10), as appropriate, are chosen such that the dimensions of the electron beam in a plane transversal to the direction of propagation of the electron beam, preferably in all the planes transversal to the direction of propagation of the electron beam, are reduced between the input of the gas cloud (14) of the collimation or focusing device (10) or the output of the first gas cloud (24), as appropriate, and the output of the gas cloud of the collimation or focusing device (10), by a ratio of two or more.

8. Method for emitting a packet of collimated or focused relativistic electrons, comprising the steps of:

- emitting a first focused laser beam (34) into a first gas cloud (24) to create therein a wave of electrical and magnetic fields of laser-plasma acceleration of electrons present in said first gas cloud and thus form a packet of relativistic electrons (12) which is propagated out of the first gas cloud (24),

- emitting a second laser pulse (18), distinct from the first laser pulse (34), focused in a second gas cloud (14) to create therein a wave of focusing electrical and magnetic fields (22), the first gas cloud (24) being separated from the second gas cloud (14) by a vacuum, the packet of relativistic electrons (12) being propagated in the vacuum between the first gas cloud (24) and the second gas cloud (24), and

- submitting the packet of relativistic electrons (12) obtained by laser-plasma acceleration to the wave of focusing electrical and magnetic fields (22), characterized in that the length L_e and the electron density n_e of the second gas cloud (14) are such that:

in which n₀ = 10¹⁸ electrons/cm³ and L₀ = 1 mm.

9. Method according to Claim 8, wherein the distance between the first gas cloud (24) and the second gas cloud (14) is greater than 300 µm and/or less than 5 mm, preferably less than 2 mm.

10. Method according to Claim 8 or 9, wherein the width of the second gas cloud (14) is between 10 µm and 2 mm.

11. Method according to the preceding claim, wherein the second laser pulse (18) has a duration of between 5 and 500 femtoseconds, and/or a peak power of between 10 terawatt and 10 petawatt.

12. Method according to any one of Claims 8 to 11, wherein the length and the electron density of the second gas cloud (14) and the distance between the first gas cloud (24) and the second gas cloud (14), as appropriate, are chosen such that the variation of energy of the electron beam between the input and the output of the second gas cloud (14) is less than 50%, preferably less than 40%, more preferably less than 30%, even more preferably less than 20% and even more preferably less than 10%.

13. Method according to any one Claims 8 to 11, wherein the length and the electron density of the second gas cloud (14) and the distance between the first gas cloud (24) and the second gas cloud (14), as appropriate, are chosen such that the factor equal to the divergence of the electron beam, divided by the energy of the electrons at ¾ power, is reduced between the input of the second gas cloud (14) or the output of the first gas cloud (24), as appropriate, and the output of the second gas cloud, by a ratio of two or more.

14. Method according to any one of Claims 8 to 11, wherein the length and the electron density of the second gas cloud (14) and the distance between the first gas cloud (24) and the second gas cloud (14), as appropriate, are chosen such that the dimensions of the electron beam in a plane transversal to the direction of propagation of the electron beam, preferably in all the planes transversal to the direction of propagation of the electron beam, are reduced between the input of the second gas cloud (14) or the output of the first gas cloud (24), as appropriate, and the output of the second gas cloud, by a ratio of two or more.

Dessins