Lorsque les impulsions lumineuses d'un système laser extrêmement puissant sont tirées sur des échantillons de matériau, le champ électrique de la lumière arrache les électrons des noyaux atomiques. Pendant des fractions de seconde, un plasma est créé. Les électrons se couplent à la lumière laser dans le processus, atteignant ainsi presque la vitesse de la lumière. Lors du vol hors de l'échantillon de matériau, ils tirent les noyaux atomiques (ions) derrière eux. Afin d'étudier expérimentalement ce processus d'accélération complexe, des chercheurs du centre de recherche allemand Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ont développé un nouveau type de diagnostic pour les accélérateurs de particules laser innovants. Leurs résultats sont maintenant publiés dans la revue Examen physique X .

"Notre objectif est un accélérateur ultra-compact pour la thérapie ionique, c'est-à-dire l'irradiation du cancer avec des particules chargées, " dit le physicien Dr. Thomas Kluge du HZDR. Outre les cliniques, la nouvelle technologie des accélérateurs pourrait également profiter aux universités et aux instituts de recherche. Cependant, de nombreux travaux de recherche et développement sont nécessaires avant que la technologie ne soit prête à être utilisée. Le laser DRACO du Centre Helmholtz de Dresde atteint actuellement des énergies d'environ 50 mégaélectronvolts. Cependant, 200 à 250 mégaélectronvolts sont nécessaires pour irradier une tumeur avec des protons.

Grâce à ses impulsions ultracourtes de l'ordre de quelques femtosecondes, temps pendant lequel un faisceau lumineux parcourt une distance d'une fraction de cheveu humain, le laser DRACO atteint une puissance de près d'un pétawatt. Cela correspond à 100 fois la puissance électrique moyenne produite dans le monde.

"Nous devons mieux comprendre les processus individuels impliqués dans l'accélération des électrons et des ions, " dit Kluge. Avec des collègues de Dresde, Hambourg, Iéna, Siegen et les États-Unis, les chercheurs du HZDR ont observé ces processus extrêmement rapides pratiquement en temps réel au SLAC National Accelerator Laboratory de l'université de Stanford aux États-Unis.

Pour réussir cet exploit, les scientifiques ont utilisé deux lasers spéciaux en même temps :le laser à haute intensité du SLAC a une puissance d'environ 40 térawatts, c'est-à-dire environ 25 fois plus faible que DRACO. Lors de la frappe de l'échantillon de matériau (cible), il enflamme le plasma. Le deuxième laser est un laser à rayons X, qui est utilisé pour enregistrer les processus individuels, de l'ionisation des particules dans la cible et de l'expansion du plasma, aux oscillations et instabilités du plasma qui se produisent lorsque les électrons sont chauffés à plusieurs millions de degrés Celsius, et l'accélération efficace des électrons et des ions.

"En utilisant la méthode de diffusion aux petits angles, nous avons réalisé des mesures dans le domaine femtoseconde et à des échelles allant de quelques nanomètres à plusieurs centaines de nanomètres, " déclare Melanie Rödel, doctorante en HZDR, qui a joué un rôle de premier plan dans l'expérience. Plusieurs années de travail ont été nécessaires pour accéder à ces zones et obtenir des signaux propres sur les images de diffusion du laser à rayons X.

« Le nouveau diagnostic des accélérateurs laser a parfaitement confirmé nos attentes concernant sa résolution spatiale et temporelle. Nous avons ainsi ouvert la voie à l'observation directe des processus plasma-physiques en temps réel, " dit le Dr Josefine Metzkes-Ng, chef de l'un des groupes de recherche juniors participants à l'Institut de physique des rayonnements du HZDR.

A partir de 2019, la ligne de faisceau internationale Helmholtz pour les champs extrêmes (HIBEF), que le HZDR met actuellement en place dans le cadre d'une collaboration internationale sur le laser à rayons X le plus puissant au monde, le XFEL européen près de Hambourg en Allemagne, fournira une configuration expérimentale de nouvelle génération avec un laser à impulsions courtes nettement plus puissant.

Densité électronique élevée grâce à la structure des doigts

Pour les physiciens impliqués dans les expériences, un détail spécifique de leurs calculs effectués pour une révélation particulière. "Nos cibles ont été spécialement développées au HZDR Ion Beam Center pour avoir une sorte de structure de doigt minuscule sur leur surface. Le faisceau laser se diffuse sur cette structure, résultant en un nombre particulièrement important d'électrons provenant des coins étant accélérés et se croisant, " explique Thomas Kluge.

Le fait que ce détail prédit par les calculs ait été observé dans l'expérience, qui ne dure que 10 femtosecondes, signifie que les scientifiques pourraient observer d'autres formations de motifs spontanés (instabilités). Ceux-ci peuvent être causés, par exemple, par l'oscillation des électrons dans le champ électromagnétique du laser.

Les chercheurs s'intéressent à identifier les instabilités qui perturbent l'accélération des électrons et des ions - dans le but de les éviter en sélectionnant des cibles adaptées, par exemple. "Toutefois, nous savons également de nos simulations que les instabilités peuvent même augmenter l'efficacité du processus d'accélération, " explique le physicien. " Dans nos simulations, nous avons identifié l'instabilité de Raleigh-Taylor, entre autres. » Cela amène le laser optique à transférer plus d'énergie dans le plasma qu'il génère. De telles instabilités « positives » pourraient donc être importantes pour optimiser le processus d'accélération des ions médié par les électrons.

Les scientifiques du laser s'attendent à ce que la nouvelle installation HIBEF fournisse de nombreuses autres informations sur l'accélération du plasma. Ce «laboratoire extrême» du HZDR fournira à l'instrument High Energy Density Science (HED) du XFEL européen des lasers à haute puissance. "L'impulsion de rayons X du XFEL européen, avec lequel nous allons mesurer les processus dans le plasma, est très court. Nous prévoyons également d'utiliser des outils de diagnostic supplémentaires afin d'étudier de manière optimale les oscillations du plasma, par exemple, voir d'autres instabilités dans l'expérience, et aussi les générer de manière ciblée, " dit Thomas Kluge. De cette façon, les chercheurs du HZDR visent à se rapprocher progressivement de leur objectif de développer un accélérateur laser ultra-compact pour la protonthérapie du cancer.

Les scientifiques ont franchi une étape décisive vers l'utilisation d'accélérateurs de particules laser de nouvelle génération. Avec l'aide du puissant laser à rayons X à électrons libres du SLAC en Californie, ils ont pu étudier pour la première fois les processus du plasma aux petites échelles de quelques nanomètres et femtosecondes sur lesquelles se déroule l'interaction laser turbulente avec les particules à accélérer. À l'avenir, les procédés pourraient ainsi être optimisés et les accélérateurs de particules laser compacts pourraient être utilisés, par exemple, pour l'irradiation des tumeurs à l'aide de protons.