ETUDE ET OPTIMISATION DE L'EMISSION X D'UN PLASMA CREE PAR UNE IMPULSION LASER ULTRA-COURTE PDF Download
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DANS CETTE THESE NOUS AVONS ETUDIE EN DETAIL LES MECANISMES D'ABSORPTION DE L'ENERGIE LASER LORS DE L'INTERACTION D'UN LASER SUB-PICOSECONDE AVEC UNE CIBLE SOLIDE. LA SPECTROSCOPIE X DES RAIES DE RESONANCE ET DE LEURS SATELLITES NOUS A PERMIS DE CONNAITRE LES PARAMETRES DU PLASMA (DENSITE ET TEMPERATURE). EN VUE DE LA REALISATION D'UNE SOURCE X D'UNE BRILLANCE LA PLUS ELEVEE ET D'UNE DUREE LA PLUS COURTE POSSIBLE, DEUX TECHNIQUES D'OPTIMISATION DE L'ABSORPTION ONT ETE ETUDIEES. D'UNE PART NOUS AVONS UTILISE DES CIBLES A SURFACE MODULEE PERIODIQUEMENT POUR AUGMENTER, A TRAVERS LE COUPLAGE AVEC LES MODES DE SURFACE, L'ABSORPTION DE L'ENERGIE LASER A LA DENSITE DU SOLIDE. D'AUTRE PART, NOUS AVONS ETUDIE L'INTERACTION DU LASER AVEC UN PLASMA PRE-FORME, POUR OPTIMISER L'ABSORPTION DE L'ENERGIE A LA DENSITE CRITIQUE EN PROFITANT DE LA CREATION D'UN PROFIL DE DENSITE DETENDU. DANS CE DERNIER CAS, NOUS AVONS AUSSI ANALYSE LES CARACTERISTIQUES DES ELECTRONS SUPRA-THERMIQUES CREES PAR LES MECANISMES NON-LINEAIRES PRESENTS PENDANT L'INTERACTION. NOUS AVONS MIS EN EVIDENCE LA TRES FORTE INFLUENCE DE LA VALEUR DE LA LONGUEUR DU GRADIENT DE DENSITE SUR LES CARACTERISTIQUES DE CES ELECTRONS ET SUR L'EMISSION X, ET NOUS AVONS DETERMINE LA VALEUR DE LA LONGUEUR DE GRADIENT QUI PERMET D'OPTIMISER L'ABSORPTION ET L'EMISSION X.
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DANS CETTE THESE NOUS AVONS ETUDIE EN DETAIL LES MECANISMES D'ABSORPTION DE L'ENERGIE LASER LORS DE L'INTERACTION D'UN LASER SUB-PICOSECONDE AVEC UNE CIBLE SOLIDE. LA SPECTROSCOPIE X DES RAIES DE RESONANCE ET DE LEURS SATELLITES NOUS A PERMIS DE CONNAITRE LES PARAMETRES DU PLASMA (DENSITE ET TEMPERATURE). EN VUE DE LA REALISATION D'UNE SOURCE X D'UNE BRILLANCE LA PLUS ELEVEE ET D'UNE DUREE LA PLUS COURTE POSSIBLE, DEUX TECHNIQUES D'OPTIMISATION DE L'ABSORPTION ONT ETE ETUDIEES. D'UNE PART NOUS AVONS UTILISE DES CIBLES A SURFACE MODULEE PERIODIQUEMENT POUR AUGMENTER, A TRAVERS LE COUPLAGE AVEC LES MODES DE SURFACE, L'ABSORPTION DE L'ENERGIE LASER A LA DENSITE DU SOLIDE. D'AUTRE PART, NOUS AVONS ETUDIE L'INTERACTION DU LASER AVEC UN PLASMA PRE-FORME, POUR OPTIMISER L'ABSORPTION DE L'ENERGIE A LA DENSITE CRITIQUE EN PROFITANT DE LA CREATION D'UN PROFIL DE DENSITE DETENDU. DANS CE DERNIER CAS, NOUS AVONS AUSSI ANALYSE LES CARACTERISTIQUES DES ELECTRONS SUPRA-THERMIQUES CREES PAR LES MECANISMES NON-LINEAIRES PRESENTS PENDANT L'INTERACTION. NOUS AVONS MIS EN EVIDENCE LA TRES FORTE INFLUENCE DE LA VALEUR DE LA LONGUEUR DU GRADIENT DE DENSITE SUR LES CARACTERISTIQUES DE CES ELECTRONS ET SUR L'EMISSION X, ET NOUS AVONS DETERMINE LA VALEUR DE LA LONGUEUR DE GRADIENT QUI PERMET D'OPTIMISER L'ABSORPTION ET L'EMISSION X.
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CE TRAVAIL S'INSCRIT DANS LE CADRE DES ETUDES SUR LA CARACTERISATION DE L'INTERACTION ENTRE UN LASER SUBPICOSECONDE ET LA MATIERE SOLIDE. NOUS NOUS SOMMES PARTICULIEREMENT INTERESSES A LA SIMULATION DES SPECTRES DU RAYONNEMENT X K ALPHA EMIS DANS LES PLASMAS CREES PAR IMPULSION LASER ULTRA-COURTE ET ULTRA INTENSE (10#1#8 W CM#-#2). A CETTE FIN, LE MODELE DEVELOPPE DANS CE TRAVAIL UTILISE LES RESULTATS D'UN CODE HYDRODYNAMIQUE QUI SIMULE L'INTERACTION LASER-MATIERE. CES RESULTATS SE PRESENTENT SOUS LA FORME DE PROFILS LAGRANGIENS DE DENSITE ET DE TEMPERATURE, DECRIVANT L'EVOLUTION SPATIO-TEMPORELLE DU PLASMA. LE MODELE REALISE UN COUPLAGE AUTO-CONSISTANT ENTRE UN MODELE COLLISIONNEL-RADIATIF INSTATIONNAIRE, QUI TRAITE L'ETAT ATOMIQUE DU PLASMA, ET UNE METHODE MONTE-CARLO, QUI SIMULE LE TRANSPORT DES ELECTRONS SUPRA-THERMIQUES, CREES A LA DENSITE CRITIQUE ET RESPONSABLES (PAR DES COLLISIONS EN COUCHE INTERNE) DE L'EMISSION K ALPHA, A L'INTERIEUR DU PLASMA. A PARTIR DE CE MODELE, ON A PU GENERER DES SPECTRES SYNTHETIQUES DE RAIES K ALPHA EN FONCTION DE DIFFERENTS PARAMETRES EVALUES EXPERIMENTALEMENT. PAR AILLEURS, ON A PU VOIR, A PARTIR DES RESULTATS OBTENUS, UNE FORTE CORRELATION ENTRE L'EFFET DU FLUX DE CHALEUR THERMIQUE ELECTRONIQUE ET L'EFFET DE LA TEMPERATURE DES ELECTRONS SUPRA-THERMIQUES SUR LES SPECTRES SYNTHETIQUES. OUTRE LA SIMULATION DE SPECTRES DE RAIES K ALPHA, UNE APPLICATION DIRECTE DE CE CODE A ETE L'EVALUATION DU FACTEUR DE FLUX LIMITE POUR UN ECLAIREMENT DONNE ET UNE VALEUR DE LA TEMPERATURE DES ELECTRONS SUPRA-THERMIQUES DETERMINEE PAR AILLEURS. CE CODE A D'AUTRES APPLICATIONS POTENTIELLES COMME LA SIMULATION DE SOURCES X ULTRA-BREVES.
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CE TRAVAIL S'INSCRIT DANS LE CADRE DES ETUDES SUR LA CARACTERISATION DE L'INTERACTION ENTRE UN LASER SUBPICOSECONDE ET LA MATIERE SOLIDE. NOUS NOUS SOMMES PARTICULIEREMENT INTERESSES A LA SIMULATION DES SPECTRES DU RAYONNEMENT X K ALPHA EMIS DANS LES PLASMAS CREES PAR IMPULSION LASER ULTRA-COURTE ET ULTRA INTENSE (10#1#8 W CM#-#2). A CETTE FIN, LE MODELE DEVELOPPE DANS CE TRAVAIL UTILISE LES RESULTATS D'UN CODE HYDRODYNAMIQUE QUI SIMULE L'INTERACTION LASER-MATIERE. CES RESULTATS SE PRESENTENT SOUS LA FORME DE PROFILS LAGRANGIENS DE DENSITE ET DE TEMPERATURE, DECRIVANT L'EVOLUTION SPATIO-TEMPORELLE DU PLASMA. LE MODELE REALISE UN COUPLAGE AUTO-CONSISTANT ENTRE UN MODELE COLLISIONNEL-RADIATIF INSTATIONNAIRE, QUI TRAITE L'ETAT ATOMIQUE DU PLASMA, ET UNE METHODE MONTE-CARLO, QUI SIMULE LE TRANSPORT DES ELECTRONS SUPRA-THERMIQUES, CREES A LA DENSITE CRITIQUE ET RESPONSABLES (PAR DES COLLISIONS EN COUCHE INTERNE) DE L'EMISSION K ALPHA, A L'INTERIEUR DU PLASMA. A PARTIR DE CE MODELE, ON A PU GENERER DES SPECTRES SYNTHETIQUES DE RAIES K ALPHA EN FONCTION DE DIFFERENTS PARAMETRES EVALUES EXPERIMENTALEMENT. PAR AILLEURS, ON A PU VOIR, A PARTIR DES RESULTATS OBTENUS, UNE FORTE CORRELATION ENTRE L'EFFET DU FLUX DE CHALEUR THERMIQUE ELECTRONIQUE ET L'EFFET DE LA TEMPERATURE DES ELECTRONS SUPRA-THERMIQUES SUR LES SPECTRES SYNTHETIQUES. OUTRE LA SIMULATION DE SPECTRES DE RAIES K ALPHA, UNE APPLICATION DIRECTE DE CE CODE A ETE L'EVALUATION DU FACTEUR DE FLUX LIMITE POUR UN ECLAIREMENT DONNE ET UNE VALEUR DE LA TEMPERATURE DES ELECTRONS SUPRA-THERMIQUES DETERMINEE PAR AILLEURS. CE CODE A D'AUTRES APPLICATIONS POTENTIELLES COMME LA SIMULATION DE SOURCES X ULTRA-BREVES.
Author: Eric Galtier Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 189
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Cette thèse met à profit l'émergence des nouvelles sources de lumière de 4ème génération, les lasers à électrons libres, pour créer et caractériser un état de matière sous conditions extrêmes encore mal connu: la matière dense et tiède (WDM). Une expérience a permis d'étudier les transitions entre les différentes phases solide/WDM/plasma et de caractériser le mécanisme responsable de la thermalisation. L'impulsion laser XUV FLASH, de durée et d'énergie égales à environ 20 femtosecondes et 30 J respectivement, est micro-focalisée sur une cible solide et entraîne un chauffage isochore. L'intensité, supérieure à 1016 W.cm-2, n'a encore jamais été atteinte dans un tel contexte expérimental. Les spectres d'émission d'un plasma d'aluminium sont étudiés pour la première fois à l'aide d'un code couplant un algorithme génétique et un code de physique atomique, afin de remonter à l'évolution temporelle complète de l'interaction entre le laser XUV et la matière solide, et ce malgré l'intégration temporelle des spectres expérimentaux. La première preuve expérimentale de l'importance de l'effet Auger est établie pour le chauffage isochorique d'une cible d'aluminium. La première observation de l'émission X d'une cible de nitrure de bore irradiée sous conditions extrêmes a donné lieu à une étude préliminaire du phénomène. En parallèle, l'effet des électrons supra-thermiques sur la distribution des populations électroniques dans les niveaux d'énergie des ions est analysé et montre une importante similitude avec le processus de photo-ionisation à l'œuvre dans l'interaction laser XUV-matière.
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DEVELOPPEMENT D'UN DIAGNOSTIC QUI PERMET D'ETUDIER L'EMISSION IONIQUE D'UN PLASMA PRODUIT PAR UN LASER DE COURTE LONGUEUR D'ONDE ET A INTENSITE MODEREE. LES IONS DETECTES SONT FAIBLEMENT ENERGETIQUES ET DANS DIVERS ETATS D'IONISATION, SUIVANT L'INTENSITE LASER ET LE TYPE DE CIBLE UTILISEE. L'EMISSION IONIQUE MONTRE QUE LES PROCESSUS DE RECOMBINAISON A TROIS CORPS ET DE GEL DE RECOMBINAISON JOUENT UN ROLE IMPORTANT
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Lors de l'interaction relativiste entre une impulsion laser brève et intense et un plasma sous-dense, des électrons peuvent être injectés et accélérés jusqu'à plusieurs centaines de MeV dans une structure accélératrice se formant dans le sillage de l'impulsion laser : c'est l'accélérateur laser-plasma. Une des applications majeures de ces accélérateurs réside dans le développement de sources compactes de faisceaux de rayonnement X femtoseconde. Au cours de cette thèse, deux sources de rayonnement X ont été étudiées et développées. Le rayonnement bétatron, intrinsèque à l'accélérateur laser-plasma, provient des oscillations transverses des électrons au cours de leur accélération. Sa caractérisation par comptage de photons a montré que le faisceau X contenait un total de 10^9 photons, avec des énergies pouvant être supérieures à 10 keV. Nous avons également développé une source Compton tout optique produisant des photons de quelques centaines de keV, basée sur la collision entre un faisceau de photons et un faisceau d'électrons. Le potentiel de ces sources de rayonnement a été mis en évidence en réalisant l'imagerie par contraste de phase mono-coup d'un échantillon biologique. Nous avons ensuite montré que l'émission X bétatron est un outil expérimental très puissant pour étudier la physique sous-jacente à l'accélération laser-plasma. On peut tout d'abord réaliser la cartographie de la région d'émission, ce qui donne des informations inédites, permettant par exemple de localiser l'endroit où sont injectés les électrons. Les propriétés angulaires et spectrales du rayonnement X permettent également d'avoir des informations sur la dynamique transverse des électrons au cours de leur accélération
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CETTE THESE PRESENTE LES RESULTATS D'ETUDES SUR LES LASERS X-UV COLLISIONNELS A IONS NEONOIDES EMETTANT DANS LA REGION DE 20 NM. NOUS AVONS ETUDIE L'EFFET DE PRE-IMPULSIONS D'INTENSITE VARIABLE, SUR LES CARACTERISTIQUES DU MILIEU AMPLIFICATEUR ET DE L'EMISSION DE LA RAIE 3P-3S (J=0-1) DES IONS NEONOIDES. LE MILIEU AMPLIFICATEUR EST CONSTITUE D'UNE COLONNE DE PLASMA CREEE PAR L'IMPACT D'UNE IMPULSION INFRAROUGE, DE 600 PS DE DUREE ET D'ENERGIE DE 430 J, SUR UNE CIBLE SOLIDE. LES RESULTATS MONTRENT QUE LA PRE-IMPULSION MINIMISE LA REFRACTION DU FAISCEAU AMPLIFIE DANS LA ZONE DE PLUS FORT GAIN ET ELARGIE LATERALEMENT LA ZONE AMPLIFICATRICE. L'INTENSITE DE LA RAIE J=0-1 EST APPARUE TRES SENSIBLE A L'INTENSITE DE LA PRE-IMPULSION ET A L'ECART TEMPOREL QUI CSEPARE L'IMPULSION DE POMPE ET LA PRE-IMPULSION ET MONTRE UN COMPORTEMENT DIFFERENTS SUR TROIS ELEMENTS DE NUMEROS ATOMIQUES VOISINS LE NICKEL (Z=28), LE CUIVRE (Z=29) ET LE ZINC (Z=30). L'ETUDE DES PRE-PLASMAS DE CUIVRE ET DE ZINC CREES PAR LA PRE-IMPULSION MET EN AVANT LE ROLE IMPORTANT DES PROPRIETES DE LA CIBLE A L'ETAT SOLIDE DANS LA DYNAMIQUE DE L'INTERACTION. UNE AUTRE PARTIE DE LA THESE EST CONSACREE A L'AMELIORATION DU POMPAGE COLLISIONNEL GRACE A L'UTILISATION D'UNE SERIE D'IMPULSIONS DE POMPE DE PLUS COURTE DUREE. DES COEFFICIENTS DE GAIN TRES ELEVES DE 15 CM#-#1 ONT ETE MESURES POUR LA TRANSITION J=0-1 DU FER NEONOIDE A LA LONGUEUR D'ONDE DE 25.5 NM. LA SATURATION EST ATTEINTE DANS UNE COLONNE DE PLASMA DE 2 CM DE LONG, CREEE PAR UNE IMPULSION DE 130 PS DUREE ET DE 60 J D'ENERGIE. DE PLUS, NOUS AVONS PU REGENERER LE GAIN (G=12 CM#-#1), A L'AIDE D'UNE SECONDE IMPULSION DE POMPE. FINALEMENT, NOUS AVONS DEVELOPPE UNE APPLICATION D'UN LASER A 21.2 NM, CONSISTANT EN L'ETUDE DE LA LUMINESCENCE INDUITE PAR CETTE SOURCE DANS UN CRISTAL DE CSI. LES RESULTATS MONTRENT UNE CHUTE DU RENDEMENT DE LUMINESCENCE RAPIDE POUR LES PLUS HAUT FLUX EXCITATEURS ET L'APPARITION DE BANDES D'EMISSION NON-OBSERVEES AVEC LES AUTRES SOURCES.
Author: Arnaud André Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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Lors de le la propagation d'une impulsion laser ultra- intense et ultra-brève dans un plasma sous dense une onde de plasma se forme dans son sillage, susceptible d'accélérer des électrons à des énergies élevées sur de très courtes distances. Dans un régime d'excitation extrêmement non-linéaire, connu sous le nom de régime de la bulle, on peut obtenir des faisceaux mono-énergétiques d'électrons relativistes. Si les faisceaux d'électrons issus de l'interaction sont aujourd'hui bien caractérisés, de nombreux paramètres de l'interaction restent inaccessibles, faute de diagnostics adaptés. Nous avons tenté de répondre à cette problématique au cours de cette thèse, en étudiant à l'aide de simulations numériques comment interpréter le rayonnement issu de l'interaction pour déterminer la dynamique du milieu.La première partie de l'étude est consacrée aux propriétés du rayonnement des électrons accélérés, qui s'étend jusque dans le domaine des X. L'étude des caractéristiques de l'émission doit pouvoir renseigner sur le mouvement des électrons du milieu et plus généralement sur l'interaction laser-plasma. Les études menées dans le cadre de cette thèse montrent qu'en effet l'observation du rayonnement permet de déterminer la direction des électrons du faisceau en fin d'accélération, et dans une certaine mesure, leur répartition à l'intérieur du faisceau.La deuxième partie concerne la propagation en milieu sous dense. Le plasma perturbe l'impulsion au cours de sa propagation, modifiant ses caractéristiques spatiales et spectrales. Nous avons étudié ces effets lorsque le milieu est constitué d'un gaz d'azote puis d'argon. Nos résultats mettent en évidence les contributions respectives de l'auto-modulation de l'impulsion ainsi que celle du gradient de densité électronique créé par l'ionisation des gaz dans leurs différents états de charge. L'étude a été poursuivie dans des conditions d'accélération exploitant un gaz plus léger et à plus haute intensité, dans le régime de la bulle. Nous avons identifié l'origine des variations des conditions d'interaction observées dans la première partie.
Author: Tony Caillaud Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 205
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Ce travail de thèse a consisté en l'étude et l'optimisation d'une source ultra-brève de rayonnement X dans la gamme multi-keV, issue de l'interaction d'un laser intense avec un jet d'agrégats d'Argon. Nous avons porté un intérêt tout particulier sur la caractérisation du jet d'agrégats d'Argon employé lors des expériences (densité totale, densité et taille moyenne des agrégats). L'étude de la propagation de l'impulsion laser dans le jet dense d'agrégats a révélé l'existence d'un effet lié à la réfraction dans le jet. L'absorption, le chauffage et les spectres d'émission X ont été étudiés en fonction des paramètres du laser femtoseconde (durée et énergie de l'impulsion laser, contraste temporel) et de la taille des agrégats (20 à 35 nm), dans le but d'optimiser la source de rayonnement X,. L'absorption et l'émission X présentent un optimum avec la durée laser consistant avec un modèle existant. Le contraste s'est avéré un paramètre crucial pour la production de rayonnement X. Un rendement énergétique très intéressant a été obtenu : 12 nJ de rayonnement X émis autour de 3 keV, pour 3 mJ d'énergie laser incidente. L'analyse de l'énergie moyenne déposée par agrégat est associée à une modélisation simple de l'expansion hydrodynamique de l'agrégat. Un code de physique atomique est utilisé pour tenter de reconstruire les spectres et pour analyser l'aspect temporel de la source X. La comparaison de ces calculs avec une expérience préliminaire montre une durée ultra-brève de l'émission X (~ps).
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DIFFERENTS ASPECTS DE L'INTERACTION D'UNE IMPULSION ULTRA-COURTE ET ULTRA-INTENSE AVEC UN PLASMA SOUS-DENSE ONT ETE ETUDIES ANALYTIQUEMENT ET NUMERIQUEMENT. CES ETUDES PRESENTENT UN INTERET POUR L'ACCELERATION LASER DE PARTICULES DANS LES PLASMAS, LES LASERS A RAYONS X, LA GENERATION D'HARMONIQUES D'ORDRE ELEVE, LE CONCEPT D'ALLUMEUR RAPIDE POUR LA FUSION PAR CONFINEMENT INERTIEL. ON A UTILISE LE CODE PARTICULAIRE RELATIVISTE WAKE DEVELOPPE PRECEDEMMENT A L'ECOLE POLYTECHNIQUE. CE CODE A ETE MODIFIE AU COURS DE LA THESE POUR TRAITER LE MOUVEMENT DES IONS, POUR CALCULER DES TRAJECTOIRES D'ELECTRONS TESTS, ET POUR INCLURE DES DIAGNOSTICS DIVERS SUR LES CHAMPS ET LES PARTICULES. LES SUJETS TRAITES DANS CETTE THESE SONT LES SUIVANTS : L'ACCELERATION DE PHOTONS DANS LE SILLAGE D'UNE IMPULSION LASER COURTE ET INTENSE, LA VITESSE DE PHASE DE L'ONDE PLASMA DANS LE SILLAGE D'UNE IMPULSION LASER AUTO-MODULEE, LA CANALISATION RELATIVISTE D'IMPULSION LASER DE DUREE DE L'ORDRE DE LA PERIODE PLASMA, LA DYNAMIQUE IONIQUE DANS LE SILLAGE, LE DEFERLEMENT. ENFIN ON A SIMULE 3 EXPERIENCES DE PROPAGATION D'ONDE LASER ET D'ACCELERATION D'ELECTRONS. VOICI LES PRINCIPAUX RESULTATS DE LA THESE : LA REDUCTION DE LA VITESSE DE PHASE DE L'ONDE PLASMA DANS LE CAS D'UNE IMPULSION LASER AUTO-MODULEE NE JOUE QUE DANS LE CAS D'UN CANAL PREFORME POUR LE GUIDAGE DE L'ONDE LASER. ON A TROUVE DES STRUCTURES SELF-SIMILAIRES POUR DECRIRE LE GUIDAGE RELATIVISTE D'UNE IMPULSION COURTE DANS UN PLASMA. ON A DEMONTRE LA PROPAGATION AUTO-GUIDEE D'IMPULSION INITIALEMENT GAUSSIENNES DE QUELQUES PERIODES PLASMA. ON A MONTRE QUE LA FORCE PONDEROMOTRICE DE L'ONDE PLASMA EXCITEE PAR L'IMPULSION LASER FORME UN CANAL ET LE DEFERLEMENT DANS CE CANAL A ETE ANALYSE EN DETAIL. LES EFFICACITES DE L'ACCELERATION D'ELECTRONS DANS LE CHAMP LASER ET DANS L'ONDE PLASMA ONT ETE COMPAREES. LE DECALAGE EN FREQUENCE D'UNE SONDE SE PROPAGEANT DANS LE SILLAGE PLASMA A ETE ETUDIE DANS DES CONDITIONS CORRESPONDANT A DES EXPERIENCES ACTUELLES.
Author: Séréna Bastiani-Ceccotti
Author: Séréna Bastiani-Ceccotti
Author: Valérie Fabretti
Author: VALERIE. FABRETTI
Author: Eric Galtier
Author: JEAN-PIERRE.. THORON
Author: Sébastien Corde
Author: STEPHANE.. SEBBAN
Author: Arnaud André
Author: Tony Caillaud
Author: ANDREI.. SOLODOV