[PDF] BILAN du Laboratoire de Physique des Gaz et des Plasmas Rapport

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Introduction

- p.02

Organigramme scientifique

- p.03

Bilan par opération - p.04

- p.09 - p.16 - p.17 - p.21 - p.28 - p.29 - p.30 - p.36 - p.41 - p.45 - p.51 - p.56 - p.9 0 Ce rapport fait le bilan, pour la période de Juillet

2004 à Juin 2008 de l'activité du Laboratoire de

Physique des Gaz et des Plasmas (LPGP), laboratoire de l'Université Paris-Sud 11 (UPS) associé au Centre

National de la Recherche Scientifique (CNRS) sous

la forme de l'Unité Mixte de Recherche 8578 (UMR8578). Le LPGP a été dirigé par Gérard Gousset jusqu'en Mars 2005, puis par l'équipe de direction composée de Gilles Maynard (directeur) et Stéphane Pasquiers (directeur adjoint). Le projet de l'unité pour les quatre dernières années a été proposé par Gérard Gousset avec l'appui de Jean Bretagne. L'actuelle équipe de direction n'est donc pas à l'origine de ce projet mais elle y a adhéré pleinement et c'est donc bien en rapport au projet initial que le bilan du laboratoire est présenté. On pourra d'ailleurs constaté que malgré les importants mouvements de personnels (en quatre ans, plus du tiers des ITA/ITARF et des chercheurs et enseignants ont pris leur retraite ou ont quitté le laboratoire), notre bilan est en bonne adéquation avec les objectifs du projet initial. Le LPGP est un laboratoire généraliste qui développe une recherche exploratoire et fondamentale en s'appuyant, pour plusieurs domaines, sur une approche interdisciplinaire avec la chimie, la science des matériaux et la biologie. Son activité reste cependant fortement centrée sur la physique des plasmas de laboratoire, qui se décline principalement pour nous en physique des décharges, cinétique et transport d'espèces actives, interaction et instabilités faisceaux-plasma et le développement de diagnostiques optiques et électriques. Cette activité s'appuie sur une approche expérimentale en liaison étroite avec des travaux théoriques et de modélisation grâce à l'utilisation de diagnostiques performants. La structure en équipe du laboratoire a été peu modifiée ces quatre dernières années. Les principales modifications ont été la disparition en décembre

2006 de l'équipe Turbulence dans les plasmas

naturels et de laboratoire (suite au départ de C. Krafft) et l'intégration de la base de données

GAPHYOR dans l'équipe de K. Katsonis. Dans la

suite du rapport l'activité de recherche dans ces équipes est présentée à partir de la structure actuelle (Juin 2008) dans laquelle le laboratoire compte une équipe Services Communs et 7 équipes de recherche, comme indiqué sur l'organigramme scientifique page suivante. Toutes les activités du LPGP ont un caractère fondamental affirmé, mais chacune se place en amont d'applications bien identifiées qui sont: Les matériaux (équipes DEE, DIP, D&S, MSPD) : gravure, dépôt, traitement de métal et de polymères, synthèse de poudre et de matériaux micro- et nanostructurés, nettoyage de surfaces. La réduction de dépense d'énergie (équipe DIP): sources lumineuses à haut rendement.

L'environnement (équipes DIP, DEE, D&S,

STERILISATION): destruction de polluants

atmosphériques ou agents bactériologiques, stérilisation et décontamination de surfaces, contrôle de la combustion. Les transports (équipes DIP, D&S, GAPHYOR): contrôle de combustion, propulsion par plasma.

Les lasers à ultra-haute intensité et leur

interaction avec des plasmas (équipe ITFIP): sources X-UV et X, accélération électrons GeV, accélération ions > 100 MeV, étude de la matière dense et chaude (WDM). L'énergie par fusion contrôlée (équipes MSPD et ITFIP) : technologie pour ITER, filière inertielle, ions-lourds, pico-allumage, physique statistique des plasmas denses. Après avoir détaillé les résultats obtenus par chaque

équipe de recherche et le fonctionnement des

services communs, le rapport présente un bilan global du laboratoire tant en termes d'activités que de moyens. L'équipe de direction tient à remercier l'ensemble du personnel de l'unité pour leur adhésion au projet du laboratoire ainsi que l'UPS, le CNRS et le Comité National de la Recherche Scientifique qui nous ont soutenus dans les périodes les plus critiques de ces quatre dernières années. - 2 - - 3 -

Kevin CASSOU [MCF depuis 09-2007]

Brigitte CROS [CR]

Claude DEUTSCH [DREM]

Mireille FARINET [TCH]

Jacques GODIOT [IR

01-2006]

Marie-Madeleine GOMBERT [CR]

Gilles MAYNARD [DR]

Michel SARRAZIN [IE

01-2006]

David PATIN, ATER et Post-Doc

[09-2006

08-2007]

Mikhaïl VEYSMAN, Post-Doc

[A2003, D2004]

Gregory VIEUX, ATER et Post-Doc

[09-2004

10-2006]

Kamel BENNADJI [depuis 09-2007],

co-direction Algérie

Amar BOUDAA [09-2006

12-2008],

co-tutelle Algérie

Flavien LAMBERT [thèse en 2006],

co-tutelle externe CEA/DPTA de Bruyères-le-Ch.

Andrian LENGLET [09-200412-2008]

Romain POPOFF [09-200309-2008]

Bruno ROBILLART [09-2005

10-2008]

Bekbolat TASHEV [09-200612-2009],

co-tutelle Kazakhstan

Joseph VASSAUX [09-200708-2010]

Franck WOJDA [09-200609-2009]

Nikolay ANDREEV, PAST [10-200508-2007]

Abderrezeg BENDIB [6sem. entre 07-2006 et 01-

2008]

Antoine BRET [10-200309-2004)

Jean-Philippe GODDET [2 mois 2007]

L'étude expérimentale et théorique de

l'interaction laser-plasma à très haut flux sur de grandes distances, le laser étant guidé par les parois d'un capillaire. La détermination des propriétés statiques et dynamiques des plasmas denses fortement corrélés, notamment pour déterminer la réponse du plasma à la perturbati on créée par un faisceau intense. Le transport et le dépôt d'énergie de courants intenses de particules (électrons, protons, ions lourds) dans un plasma. Sources cohérentes et incohérentes de photons et de particules de grande énergie. La fusion inertielle, la fusion inertielle par ions lourds, le pico-allumage d'une cible de fusion, l'astrophysique

Plasmas Chauds

Plasmas Denses

Fusion Inertielle; Pico-allumage; Instabilités

Faisceau-Plasma; Matière à Haute Densité

d'Energie Laser X; Accélération Laser-Plasma d'électrons

Ions lourds; Pouvoir d'arrêt d'ions.

CEA/DPTA, Bruyères-le-Châtel

GSI, Darmstadt (DE)

IHED, Moscou (RU)

LOA, LULI, Palaiseau (FR)

LIXAM, Orsay (FR)

Univ. Al-Farabi, Almaty (KZ)

Univ. Castilla la Mancha, Ciuda Real (SP)

Univ. d'Oxford (UK)

Univ. de Strathclyde, Glasgow (UK)

Univ. de Lund (SE)

USTHB, Alger

Partenaires du Projet européen EuroLEAP

www.euroleap.eu) (11 laboratoires) Réseau de collaboration européen ANAD, (Advanced and Novel Accelerator Development)

Collaboration internationale HEDgeHOB (High

Energy Density Matter Generated by Heavy Ion

Beams) (38 laboratoires) dans le cadre du projet

international FAIR au GSI-Darmstadt.

GdR SAXO puis AppliX

Partenaire de la Fédération de Recherche de

l'Institut Laser Plasma (ILP) Partenaire du projet régional Infrastructure pour la Lumière Extrême (ILE) et du projet européen

Extreme Light Infrastructure (ELI) - 4 -

ITFIP

L'équipe ITFIP développe une recherche

fondamentale et exploratoire qui s'appuie sur l'utilisation de grands équipements, installations laser et accélérateurs d'ions, pour étudier l'interaction laser-matière à haut flux et le transport de faisceau de particules dans la matière à haute densité d'énergie (MHDE). Les trois applications principales visées sont : l'accélération par onde plasma (AOP) d'électrons aux énergies ultra-relativistes en régime linéaire et guidé ; le développement de nouvelles sources laser pulsées X-UV (SLPX) ; la fusion inertielle (FI) et plus particulièrement le pico-allumage et l'étude de la matière dense et tiède (WDM, Warm Dense Matter). Ces études s'intègrent dans plusieurs projets et réseaux de collaboration au niveau local, national et international qui sont soutenus par l'ANR (projets

ELAHI et COCKER, 2007-2010), le RTRA

" Triangle de la Physique » (projet APPEAL, 2007-

2010) et l'Union Européenne (projet EuroLEAP,

2006-2009 et programme " Keep-in-touch »

Euratom-CEA sur la fusion inertielle, 2004-2008).

Les compétences de l'équipe et sa production scientifique (89 publications dans des revues internationales en 2004-2008) lui permettent d'avoir une place de premier plan dans ces projets notamment en ce qui concerne : le guidage de très haut flux laser pour créer des plasmas de grand volume aux propriétés contrôlées, servant soit de source XUV soit pour l'accélération d'électrons, l'étude de la WDM en interaction avec un faisceau d'ions, le pico-allumage d'une cible de fusion inertielle.

Après le départ en janvier 2004 de Gilles

Matthieussent, l'équipe ITFIP a obtenu sur projet

BQR-Emploi le recrutement en 2007 d'un jeune

maître de conférence, K. Cassou, et l'importante contribution de non perman ents. Ainsi l'équipe a obtenu 6 années de post-docs et un an de professeur sur un poste PAST ; elle a accueilli pour un total de plusieurs mois des visiteurs de l'équipe du Pr. M. Bendib d'Alger et A. Bret, maintenant à l'Université Castilla La Mancha, a fait en 2003 et 2004 un séjour de plus d'un an. L'équipe s'est également fortement impliquée dans la formation par la recherche en encadrant 9 thèses, dont quatre en co-tutelle, en organisant des projets méthodologiques pour le parcours plasma et en accueillant de nombreux

étudiants de masters 1

ère

et 2

ème

années. En 2006-2007 nous avons entrepris de rénover nos locaux pour obtenir des conditions de travail correctes. En

particulier, l'équipe dispose maintenant d'une salle d'expérimentation adaptée à ses besoins. Le rôle moteur de l'équipe est aussi révélé par l'organisation de deux réunions internationales : "International Workshop on High Energy Electron Acceleration Using Plasma» en juin 2005 à Paris

005/).

"16th International Symposium on Heavy Ion Inertial Fusion » qui a rassemblé plus de 80 spécialistes internationaux à St.Malô en juillet 2006 (http://hif06.lpgp.u-psud.fr/). Nous présentons ci-dessous les résultats marquants obtenus dans les trois thématiques de l'équipe. (B. Cros, G. Maynard, B. Robillart, A. Boudaa, K.

Cassou, en collaboration avec l'équipe de S.

Sebban du LOA)

Des résultats très novateurs ont été obtenus en collaboration avec l'équipe de S. Sebban du LOA- Palaiseau sur les sources laser X-UV créées par irradiation laser de gaz de xénon et de krypton. Nous avons ainsi apporté la preuve expérimentale d'une forte augmentation, grâce au guidage par un tube capillaire, de la qualité du signal et de l'énergie X-

UV comme le montre la figure 1.

Figure 1: Amplitude mesurée du signal X-UV en fonction de la pression de xénon en sortie d'une cellule de

16mm (carrés), d'un capillaire de 16mm (cercles

pleins), d'un capillaire de 30mm (triangles) ou d'un capillaire de 25mm (cercles creux) [cros_pra73] - 5 - D'autre part un problème technique d'importance a été résolu : en utilisant de nouveaux capillaires beaucoup plus robustes et dans des conditions adaptées, nous avons montré que les capillaires résistent à plus de mille tirs, ce qui est particulièrement important pour les applications de ce type de guidage. Nous avons également participé à la mise au point d'un nouveau diagnostic temporel sub-picoseconde de la dynamique du gain de la source utilisant l'injection d'un signal généré par harmonique d'ordre élevé (HOE) [183]. Les tests d'injection d'harmoniques dans des tubes capillaires où est créé un milieu amplificateur ont été réalisés fin 2006. Une amplification importante, supérieure à 600, a été obtenue lors de l'injection d'une harmonique, générée dans une cellule d'argon proche de 32 nm, dans un tube capillaire rempli de krypton; une nouvelle expérience est en cours pour étudier systématiquement les conditions d'ampli- fication. De telles sources présentent des propriétés d'un grand intérêt pour les applications futures: cadence élevée, haut niveau d'énergie et très grande cohérence spatiale et temporelle. L'équipe ITFIP apporte dans la réalisation de ces expériences ses compétences en expérimentation et également un important support en théorie et en modélisation. Au niveau théorique un résultat assez inattendu a été de montrer que des effets de plasmas fortement corrélés devaient être pris en compte pour déterminer la température ionique des sources plasmas [50]. Ces prédictions ont été confortées par des modélisations de dynamique moléculaire réalisées par F. Lambert. Un gros effort en modél- isation (thèses en cours de A. Boudaa et B. Robillart), fait en collaboration avec J. Dubau du Lixam-Orsay, a conduit à la construction du code numérique COFIXE qui permet des confrontations directes et quantitatives entre la théorie et l'expérience.

2.2 Plasma de parois

(B. Cros, G. Maynard, M. Veysman en collaboration avec N. Andreev du IHED Moscou) Notre travail en modélisation a eu aussi pour but d'étudier de nouveaux schémas de sources X-UV (Post-doc M. Veysman). L'objectif est de proposer de nouvelles sources de durée d'impulsion ps, en utilisant un tube capillaire pour créer le plasma en ionisant les parois internes et également pour guider le faisceau laser de pompe. Un nouveau modèle a été élaboré, dont la résolution numérique est extrê- mement rapide et autorise le calcul sur des grandes distances (plusieurs cm). Ceci a permis de montrer

l'aspect très non-linéaire de la propagation d'un laser intense lorsque un plasma est créé à la paroi d'un tube capillaire. Ce modèle est maintenant utilisé

pour déterminer les conditions de génération de rayonnement à partir des propriétés du plasma créé [132].

2.3 Pompage en couche interne

(B. Cros, K. Cassou) Un nouveau schéma de source X-UV est également à l'étude au niveau expérimental en collaboration avec S. Sebban et A. Rousse du LOA-Palaiseau et S. Jacquemot du LULI-Palaiseau financé par l'ANR à partir de septembre 2006. Ce projet, utilisant le pompage en couche interne d'atomes neutres par une source bétatron créée dans un tube capillaire, devrait permettre de réaliser, à court terme, le premier laser (B. Cros, G. Maynard, K. Cassou, F. Wojda, en

LLC-Suède, et N. Andreev du IHED Moscou)

L'accélération par onde plasma est un domaine en pleine explosion. Les résultats récents obtenus sur l'accélération d'électrons d'abord à la centaine de

MeV puis au GeV ouvrent un vaste champ d'ap-

plications et conduisent d'autres communautés, telle celle de la physique des particules, à s'intéresser à cette technique. Ceci a amené la communauté scien- tifique européenne à vouloir se structurer autour de projets d'envergure. La responsable de l'équipe

ITFIP (B. Cros) a pris une part active dans cette

démarche par : la coordination d'un groupe de travail sur les nouvelles techniques d'accélération (ANAD) dans le réseau européen de collaboration ELAN mis en place en 2004 dans le cadre de l'I3 CARE d.htm), dont l'objectif est de développer des éch- anges avec la communauté des physiciens des accélérateurs, évaluer les avancées du domaine, dé- finir des stratégies de recherche, élaborer des projets et contribuer à la définition des futurs accélérateurs laser-plasma. la coordination du projet européen EuroLEAP (www.euroleap.eu), démarré en septembre 2006, dont l'objectif est, d'ici fin 2009, de parvenir à contrôler les propriétés du faisceau accéléré à des énergies de l'ordre du GeV, en terme de qualité spectrale, émittance et durée d'impu-lsion. Ce projet regroupe 11 laboratoires euro-péens avec des compétences complémentaires sur les lasers intenses, les plasmas, les accélérateurs (transport de faisceaux d'électrons) et la physique des particules - 6 - ITFIP ITFIP (détecteurs), indispensables à la réalisation d'un accélérateur laser plasma. Les études expérimentales et théoriques sur l'accélération de faisceaux d'électrons ont eu pour but principal d'étudier la structure et la stabilité des ondes plasmas, pouvant conduire à des accélérations de faisceaux d'électrons de l'ordre de 10 GeV/m. Les simulations ont en particulier démontré que les ondes se propagent dans le capillaire avec une faible atténuation sur plusieurs centimètres, et surtout sans dispersion de la phase. Les simulations et les calculs analytiques ont montré qu'il est possible de caractériser la qualité du champ accélérateur obtenu en régime linéaire guidé sur plusieurs centimètres par des diagnostics optiques. Le faisceau "pompe ", ou faisceau qui crée le sillage laser, voyage dans un plasma de densité variable pendant la durée de l'impulsion. Cette variation de densité, associée à la création de l'onde de plasma, est maximum à l'arrière de l'impulsion et induit un décalage spectral du faisceau pompe vers le rouge, mesurable au bout de quelques centimètres. Après plusieurs tentatives, l'onde de plasma a été mise en évidence expérimentalement (figure 2) sur des longueurs allant jusqu'à 8 cm, au Lund Laser

Center en janvier 2008.

Le succès de cette expérience est dû en grande partie à l'amélioration de la stabilité et de la qualité du faisceau laser : mise en place d'un miroir adaptatif, recherche et élimination des principales sources de vibration sur les différents éléments de la chaîne laser, mise en place d'un système actif de correction du pointé du laser avant chaque tir. Figure 2 : Mesure du décalage spectral normalisé du faisceau laser en fonction de la pression de remplis- sage en sortie d'un capillaire de 7 cm de long. Cette mesure permet de déduire l'amplitude du champ

électrique accélérateur E

p Ces études théoriques portent sur les propriétés microscopiques de plasmas denses fortement corrélés et du transport de faisceaux de particules hors du domaine où les théories standard peuvent s'appliquer. De très nombreux résultats ont été obtenus par l'équipe en 2004-2008, comme en témoigne la liste de publications, la très grande majorité étant dans le cadre de collaborations internationales. On peut mentionner. les principaux résultats suivants :

3.1 Instabilités faisceaux-plasma

(A. Bret (LPGP et Ciudad-Real), C. Deutsch, M-C.

Firpo (LPTP-Palaiseau), P. Fromy (CRI-Orsay)

L'étude de la croissance linéaire et quasi-linéaire des instabilités électromagnétiques dans l'interaction de faisceaux d'électrons relativistes ou de protons non- relativistes avec des plasmas ultra-denses pour le pico-allumage en fusion par confinement inertiel a été faite de façon analytique et confirmée par simulations PIC au CEA-DAM, comme le montre la figure 3. Ces instabilités conditionnent la viabilité du pico-allumage et la phase initiale, qui est linéaire, est difficilement visible dans une simulation PIC complète. Les principaux résultats concernent les possibilités d'amortir la filamentation par collisions

électroniques dans la cible pour des longueurs

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