Beam and plasma diagnostics for high-repetition rate laser-driven particle accelerators

Résumé

El trabajo descrito en esta tesis se centra en la Física de los aceleradores de partículas basados en la interacción de láseres intensos y plasmas, los cuales han demostrado ser una alternativa considerable a los aceleradores de partículas convencionales en muchos aspectos, presentando mejor duración y calidad transversal de los haces. La aparición de una nueva generación de aceleradores de partículas compactos basados en la interacción láser-plasma y el interés en sus potenciales aplicaciones ha supuesto el desarrollo de nuevas técnicas de diagnóstico, capaces de resolver las pequeñas escalas espaciales y temporales de dichos experimentos. Además, estos diagnósticos deben ser capaces de operar a la alta tasa de repetición de los nuevos sistemas láser compactos de petavatio de duración de femtosegundo. Esta tesis presenta el desarrollo y la aplicación experimental de una serie de diagnósticos diseñados para los tres principales regímenes de la interacción laser-plasma. - Se presenta un extenso estudio de varias técnicas de caracterización de blancos gaseosos para experimentos de interacción láser-materia, incluyendo interferometría, medida de frente de onda y estrioscopía. La investigación paramétrica de distintos tipos de blancos gaseosos, con diversos principios de funcionamiento, geometrías y composiciones es elaborada. Así mismo, se muestra el uso de estos blancos subdensos para la aceleración de electrones en estela láser y para la generación de altos armónicos con potencias láser por debajo de petavatio. - Se presenta un proyecto de investigación colaborativo internacional centrado en la aceleración de iones basada en láser en plasma de densidad crítica creados a partir de un sistema de gas de alta presión. Se elabora un resumen de las campañas experimentales llevadas acabo en instalaciones láser de potencia de petavatio y de los resultados experimentales correspondientes. Los diagnósticos elaborados para la inspección del blanco y del plasma son detallados, habiendo arrojado resultados relevantes para la optimización experimental. - Se ha realizado la tomografía resuelta en ángulo de una fuente de iones generada por láser en un plasma sobre-denso gracias a la modificación de un espectrómetro tipo Thomson Parabola. El mismo instrumento también ha sido exitosamente adaptado en un diagnóstico tipo "pepper-pot" para medidas del espacio de fases de un haz de protones resuelto en energía. Este nuevo método ha demostrado ser capaz de realizar una detallada caracterización de las propiedades espaciales y del régimen de laminaridad de los complejos haces de iones generados por interacción láser-plasma, reconociendo además diversas mejoras operacionales y de resolución de medida frente a técnicas anteriores.