Eupraxia: première étape de conception franchie pour l'accélérateur plasma européen

Publié par Redbran le 29/06/2020 à 13:00
Source: CEA
Fort de sa double compétence en accélération radiofréquence et laser-plasma, le CEA-Irfu a pris une part active à la conception d'un accélérateur laser plasma européen. Une technologie de rupture qui permet d'envisager à terme une diminution drastique du volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) et du coût d'un accélérateur de particules (Les accélérateurs de particules sont des instruments qui utilisent des champs électriques et/ou magnétiques pour amener des particules chargées électriquement à des vitesses élevées. En d'autres...).


(c)Eupraxia

Les accélérateurs de particules les plus puissants sont aujourd'hui limités à un champ électrique (Dans le cadre de l'électromagnétisme, le champ électrique est un objet physique qui permet de définir et éventuellement de mesurer en tout point de l'espace l'influence exercée à distance par des particules...) accélérateur de l'ordre de 100 MV/m. Pour augmenter l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.), les physiciens n'ont pas d'autre choix que de construire des accélérateurs de plus en plus grands comme le LHC au Cern.

Cependant, une voie alternative se dessine avec les lasers pétawatt (1015 W): l'accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique, l'accélération est une grandeur vectorielle qui indique la...) par champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de sillage dans les plasmas. Concrètement, l'impulsion laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme anglo-américain...) traverse (Une traverse est un élément fondamental de la voie ferrée. C'est une pièce posée en travers de la voie, sous les rails, pour en maintenir l'écartement et...) un plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées (d'ions et d'électrons). Le plasma quark-gluon est un plasma qui constituerait...) en laissant derrière elle un "sillage" constitué de cavités vides d'électrons - ceux-ci s'accumulant au fond et sur les côtés des cavités. Si des électrons sont injectés dans l'une de ces cavités, à proximité immédiate du fond, alors le champ électrique produit par des électrons excédentaires du sillage peut les accélérer très puissamment, jusqu'à 100 GV/m, soit mille fois plus qu'un accélérateur conventionnel utilisant les radiofréquences.

Entre 2015 et 2019, le projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et...) européen Eupraxia (European Plasma Research Accelerator with eXcellence In Applications) a permis de produire une étude de conception pour un accélérateur plasma destiné à la recherche scientifique (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances...) et à des applications médicales et industrielles.

Des équipes de l'Irfu impliquées fortement dans la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et...) du faisceau de particules ont montré que des solutions d'accélérateur plasma existent, avec une qualité de faisceau approchant celle d'accélérateurs conventionnels. Elles ont notamment participé aux workpackages "Physique et simulations", "Design (Le design (la stylique en français) est un domaine visant à la création d'objets, d'environnements ou d'œuvres graphiques, à la fois fonctionnels, esthétiques et conformes aux impératifs d'une production industrielle. Bien qu'il...) et optimisation des lignes de transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications...) faisceau" et "Diagnostics" - dont certains ont été pilotés par l'Irfu.

L'étude détaillée des mécanismes physiques a pu guider efficacement les simulations numériques sur une configuration d'accélérateur à deux étages - chaque simulation durant plus de 10 heures (L'heure est une unité de mesure  :) avec 2048 noeuds de calcul - et prouver que tous les objectifs peuvent être atteints avec un plasma long de 30 cm et de densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à 4 °C pour les liquides et...) électronique 1017 cm-3 et un laser de 400 térawatts et 50 joules.

Des méthodes innovantes ont été proposées pour accélérer le faisceau et le conduire à travers les deux étages plasma jusqu'à l'utilisateur final sans le dégrader. Une analyse des tolérances aux erreurs a permis d'identifier les composants les plus sensibles auxquels un soin particulier devrait être apporté lors de la fabrication et l'installation.

Grâce à une étroite collaboration, les partenaires d'Eupraxia ont identifié puis optimisé plusieurs schémas d'injection (Le mot injection peut avoir plusieurs significations :) et d'extraction compatibles avec les objectifs visés. Dans une étape ultérieure, ils sélectionneront la configuration d'accélération et les systèmes laser et plasma les plus performants avant d'entamer des études techniques plus détaillées pour cette future grande infrastructure de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche...) européenne.

Le consortium Eupraxia regroupe 16 membres - instituts de recherche et universités européennes - et 25 partenaires associés répartis en Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un continent à part entière, mais aussi comme l’extrémité occidentale du continent eurasiatique, voire comme...), Amérique (L’Amérique est un continent séparé, à l'ouest, de l'Asie et l'Océanie par le détroit de Béring et l'océan Pacifique; et à l'est,...) et Asie (L'Asie est un des cinq continents ou une partie des supercontinents Eurasie ou Afro-Eurasie de la Terre. Il est le plus grand continent (8,6 % de la surface totale terrestre ou 29,4 % des terres...), ainsi que 5 entreprises du secteur des lasers de puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :).

En savoir plus sur Eupraxia.

Références:
Toward a plasma-based accelerator at high beam energy with high beam charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être transporté.) and high beam quality, Phys. Rev. Accel. Beams
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