À IJCLab, l’accélération laser-plasma intégrée pour la première fois à une ligne faisceau

L’accélération laser-plasma par sillage est une technologie émergente, qui permet d’accélérer des paquets d’électrons à des vitesses relativistes grâce à des impulsions laser ultra-courtes et intenses, au sein de dispositifs plus compacts que les accélérateurs radiofréquences conventionnels. Les gradients d’accélération obtenus, jusqu’à mille fois supérieurs sur des distances équivalentes, en font une approche prometteuse, bien que sa maîtrise technique reste un défi. Depuis plus de vingt ans, des efforts de recherche sont déployés dans plusieurs centres à travers le monde pour améliorer, optimiser et stabiliser cette technologie, avec pour objectif d’en faire une source d’électrons fiable et reproductible, susceptible de servir de base à de futurs accélérateurs de particules pour des applications variées.

L’astuce de l’équipe a été de créer des cellules plasma dans lesquelles le gaz entre en continu avant d’être évacué par deux orifices successifs à l’aide de pompes à vide. « Dans les cellules plasma, la pression est de 0,1 Bars, précise Kevin Cassou, tandis que quelques millimètres plus loin dans le reste du dispositif elle tombe jusqu’à 10^-7 Bars. » Le système fonctionne donc à merveille et, cerise sur le gâteau, il s’avère beaucoup plus précis. « Avec ce flux de gaz régulier, nous pouvons contrôler très finement la composition du mélange gazeux et sa densité dans les cellules plasma à des échelles submillimétriques, se félicite le scientifique. Surtout, nous allons éviter le problème qui survient dans les autres expériences lorsqu’elles montent la cadence des impulsions laser. Comme elle n’injectent le gaz que par petites bouffées synchronisées avec les impulsions laser, des turbulences finissent par se former à haute cadence. » 

Tout n’est cependant pas encore complètement solutionné avec ce système en flux continu. « Un enjeu majeur va être de résoudre le problème de la dissipation de l’énergie déposée sur l’entrée de la cellule avec l’augmentation du taux de répétition des lasers. Nous sommes actuellement à 1.5-2W, mais des systèmes laser à 100Hz commencent à fonctionner pour des accélérateurs laser plasma avec des puissances moyennes atteignant désormais plusieurs dizaines de Watts. »

Deux cellules plasma successives d’à peine quelques millimètres de long

Le dispositif PALLAS utilise la source LASERIX de l’université Paris Saclay, rattachée à IJCLab depuis 2020. Elle produit des impulsions de 50 térawatts et de 40 femtosecondes envoyées à la cadence d’une impulsion par seconde dans le dispositif. L’impulsion laser traverse alors deux cellules plasma successives d’à peine quelques millimètres de long. Dans la première, l’impulsion frappe un mélange d’hélium et d‘azote qu’elle ionise instantanément et dont elle « capture » dans son sillage un maximum d’électrons. Cette cellule joue le rôle d’injecteur en créant le faisceau d’électrons à accélérer. L’impulsion et son cortège d’électrons ainsi piégés se déplace ensuite jusqu’à la seconde cellule plasma, uniquement remplie d’hélium, qui sera alors le siège de l’accélération proprement dite. À la sortie de la seconde cellule, l’impulsion laser, qui précède les électrons, est déviée et les électrons poursuivent leur chemin dans la ligne faisceau, traversant divers équipements de mesure.

Campagne 2026

À partir de janvier 2026, l’équipe PALLAS entamera une nouvelle campagne de tirs visant à monter progressivement en énergie pour atteindre 200 MeV à une cadence de 10 Hz. Cette campagne sera également l’occasion de tester des diagnostics rapides en temps réel, couplés à des algorithmes de « machine learning », pour optimiser la stabilité et la qualité du faisceau.