Illustration d'une expérience type sur les hautes énergies, ou rapide, l'accélération de protons à partir d'une cible solide irradiée au laser. Crédit :Andrea Macchi, et al., Rév. Mod. Phys., Vol. 85, n° 2, Avril-juin 2013. Crédit :Lawrence Livermore National Laboratory
Il y a près de 20 ans, des chercheurs menant des expériences sur le système laser Nova Petawatt du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) - le premier laser d'un quadrillion de watts au monde - ont découvert que lorsque les faisceaux laser intenses à impulsions courtes du système ont frappé une cible à feuille mince, un torrent inattendu d'électrons et de protons de haute énergie s'est échappé de l'arrière de la cible.
Plus tôt ce mois-ci, une équipe internationale de chercheurs a utilisé le successeur du Nova Petawatt, la capacité radiographique avancée (ARC) de classe pétawatt du National Ignition Facility (NIF), pour commencer à développer une plate-forme expérimentale qui promet de transformer la découverte surprise de Nova en une nouvelle source puissante de protons pour étudier les conditions extrêmes au plus profond des planètes et des étoiles, améliorer la thérapie ciblée contre les tumeurs et faire avancer les frontières de la science à haute densité énergétique (HED).
Dans deux expériences NIF Discovery Science, les chercheurs ont tiré quatre faisceaux ARC sur une feuille de titane de 33 microns d'épaisseur, la mise en place d'un champ de gaine électrostatique puissant appelé champ d'accélération de gaine normale cible (TNSA) perpendiculaire à la cible (normal est un terme géométrique pour perpendiculaire). Alors que le champ s'éloignait de l'arrière de la cible, il a accéléré les protons et les ions de haute énergie de la couche de contamination d'hydrocarbures riches en protons et d'eau recouvrant la surface de la cible, tous se déplaçant rapidement dans la même direction.
"Les résultats ont été aussi bons que nous l'espérions, " a déclaré Tammy Ma, physicienne du LLNL, chercheur principal de la campagne. "C'était définitivement une victoire. L'ARC n'est pas aussi intense que beaucoup d'autres lasers à impulsions courtes, ainsi, certains membres de la communauté craignaient que les intensités ne soient pas suffisantes pour générer ces faisceaux. Mais (le résultat) était plus de protons que ce à quoi nous nous attendions avec des énergies approchant 20 MeV (millions d'électrons-volts) - certainement une source qui permettra d'autres applications et une physique cool."
(À gauche) Raw Soft X-Ray Imager (SXI) montre l'émission de rayons X des quatre points de faisceau ARC distincts incidents sur la feuille de titane. (À droite) Le modèle de la cible superposé sur les faisceaux montre qu'un bon pointage a été obtenu. Crédit :Laboratoire national Lawrence Livermore
Dans les expériences, deux des 192 lignes de faisceaux du NIF ont été divisées pour former les quatre faisceaux ARC à impulsions courtes. Les petits faisceaux ont été tirés simultanément pendant 10 ou une picosecondes (billionièmes de seconde), générant jusqu'à 200 térawatts (trillions de watts) de puissance par faisceau. Le total d'environ 700 térawatts dans la deuxième expérience était la puissance de crête la plus élevée jamais générée sur NIF.
La puissance de crête élevée de l'ARC est rendue possible par un processus appelé amplification d'impulsions chirpées, dans lequel un court, l'impulsion à large bande générée par un oscillateur est étirée dans le temps pour réduire son intensité de crête, puis amplifié à des intensités inférieures au seuil d'endommagement dans les amplificateurs laser, et finalement comprimé à une impulsion courte et à une puissance de crête la plus élevée dans les grands réservoirs de compresseur.
La nouvelle plateforme Discovery Science, soutenu par le programme de recherche et développement dirigé par le laboratoire (LDRD) de LLNL, est conçu pour étudier la physique de la génération de faisceaux de particules à des énergies laser ultra-élevées à impulsions courtes et à des durées d'impulsion longues inexplorées auparavant. Couplé aux 1,8 million de joules d'énergie ultraviolette du NIF, cette capacité permettra une myriade d'applications HED et permettra la création et l'étude d'états extrêmes de la matière.
Le NIF est la seule installation au monde capable d'atteindre des conditions comme celles de l'intérieur des étoiles et des planètes géantes. L'utilisation de faisceaux de protons générés par ARC à impulsions courtes pour le chauffage ultrarapide de la matière jusqu'à des états extrêmes permettra des mesures d'opacité et d'équation d'état à des états de densité d'énergie sans précédent.
Après amplification dans le laser NIF, les faisceaux ARC sont compressés dans la baie cible et focalisés sur le centre de la chambre cible. Crédit :Laboratoire national Lawrence Livermore
En outre, "les protons déposent leur énergie très spécifiquement, " a noté Derek Mariscal, postdoctorant LLNL, expérimentateur principal du projet. "C'est pourquoi les protons sont prometteurs pour des applications telles que la thérapie tumorale. Vous pouvez envoyer un faisceau de protons vers une tumeur et lui faire déposer toute son énergie exactement là où vous le souhaitez sans endommager d'autres zones du corps.
"De même avec un matériau solide, " dit-il. " (Le faisceau de protons) dépose son énergie là où vous le souhaitez très rapidement, vous pouvez donc chauffer un matériau très rapidement avant qu'il n'ait le temps de se dilater hydrodynamiquement - votre matériau reste dense, et c'est le nom du jeu-haute énergie, haute densité."
Une fois la plateforme d'accélération de protons démontrée et comprise, Mariscal a dit, la prochaine étape du projet consistera à tirer les faisceaux ARC sur une feuille de carbone deutéré (CD) pour générer un faisceau de deutons. "Vous pourriez les impacter sur un deuxième foil, comme le fluorure de lithium ou le béryllium, et puis vous obtenez un faisceau de neutrons - un vrai, source de neutrons de type laser, en n'utilisant que deux faisceaux de NIF au lieu des 192."
